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Desarrollo de un simulador de procesos industriales bajo configuración Hardware-in-the-Loop para la
práctica-enseñanza de control lógico y regulatorio mediante un PLC
Daniel Humberto D´Arthenay Bermúdez
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Bogotá, Colombia
2015
Desarrollo de un simulador de procesos industriales bajo configuración Hardware-in-the-Loop para la
práctica-enseñanza de control lógico y regulatorio mediante un PLC
Daniel Humberto D´Arthenay Bermúdez
Trabajo final de maestríapresentadocomo requisito parcial para optar al título de:
Magister en Ingeniería - Automatización Industrial
Director:
Ph.D. Ricardo Emiro Ramírez Heredia
Codirector:
Ph.D. Víctor Hugo Grisales Palacios
Línea de Investigación:
Automatización de procesos
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Bogotá, Colombia
2015
Un día decidí emprender rumbo a este
hermoso país llamado Colombia para
alcanzar esta meta profesional y ustedes
papá, mamá y hermana desde nuestra
amada Venezuela me apoyaron con mucho
amor y sacrificio, por ello les dedico el
presente logro.
Agradecimientos
Quiero dar un agradecimiento especial en nombre de mis directores de tesis y mi
persona al profesor Carlos Smith, quien amablemente me aconsejó usar su modelo
matemático del tanque de reacción con agitación continua explicado en su libro“Control
Automático de Procesos”, además durante unas visitas a nuestra Universidad nos regaló
parte de su tiempo para aclarar dudas acerca del modelo e indicar algunas
recomendaciones que fueron muy valiosas para el desarrollo de este trabajo de maestría.
Resumen y Abstract IX
Resumen
Este trabajo comprende la implementación de un simulador bajo configuración Hardware-
in-the-Loop (HIL), el cual consiste en la interacción de componentes reales y
componentes virtuales de un sistema. En base a este concepto, se desarrolla la
simulaciónde un proceso de esterilización por vapor de agua (proceso discreto) y la de
un tanque de reacción con agitación continua (proceso continuo). El componente real es
el controlador del proceso, en este caso un PLC; y como componente virtual son las
plantas propiamente dichas simuladas en un computador a través del software Easy
Java Simulations, el cual se encarga de ejecutaren tiempo real la dinámica de cada
planta. Estas simulaciones son llevadas a prácticas de laboratorio en donde los
estudiantes ejercen control sobre las plantas simuladas mediante el PLC,
aproximándolos a una experiencia de industria real, de esta forma estas simulaciones se
convierten en una herramienta de enseñanza-aprendizaje en los tópicos de control lógico
y de control regulatorio de procesos industriales.
Palabras claves: Control lógico, Control Regulatorio, Easy Java Simulations, Simulación
Hardware-in-the-Loop, PLC.
X Resumen y Abstract
Abstract
This work includes the implementation of a simulator under configuration Hardware-in-
the-Loop (HIL), It is the interaction of real components and virtual components of a
system. Based on this concept, the simulation of a process of steam sterilization (discrete
process) and a reaction tank (discrete process) is developed. The real component is the
process controller, in this case a PLC; and as a virtual component, the processes are
simulated on a computer using the EasyJava Simulations software, which is responsible
for implementing real-time dynamics of each plant. These simulations are taken to lab
assignments where students have control over plants simulated by the PLC,
approximating them to a real industry experience, thus these simulations become a tool
for teaching and learning logic control topics and industrial regulatory processes.
Keywords: logic control, regulatory control, Easy Java Simulations, Hardware-in-the-
Loop simulation, PLC.
Contenido XI
Contenido
Pág.
Resumen .........................................................................................................................................IX
Lista de figuras .............................................................................................................................XIII
Lista de tablas .............................................................................................................................. XV
Introducción .................................................................................................................................... 1
1. Fundamentos ........................................................................................................................... 3 1.1 Justificación ................................................................................................................... 3
1.1.1 Concepto de Simulación Hardware-in-the-Loop ................................................ 5 1.2 Identificación del problema ............................................................................................ 6 1.3 Objetivos ...................................................................................................................... 10
1.3.1 Objetivo general ............................................................................................... 10 1.3.2 Objetivos específicos ....................................................................................... 11
1.4 Selección del entorno de programación ...................................................................... 11 1.5 Resumen del capítulo .................................................................................................. 12
2. Antecedentes ......................................................................................................................... 13 2.1 La simulación en los procesos industriales.................................................................. 13 2.2 La simulación como herramienta de enseñanza en la automatización industrial ........ 16 2.3 Desarrollos con simulaciones Hardware-in-the-Loop .................................................. 21 2.4 Desarrollos en Easy Java Simulations......................................................................... 23 2.5 Resumen del capítulo .................................................................................................. 26
3. Desarrollo de las simulaciones ............................................................................................ 29 3.1 Simulación del proceso de esterilización por vapor de agua ....................................... 29
3.1.1 Descripción del proceso................................................................................... 29 3.1.2 Arquitectura del simulador ............................................................................... 30 3.1.3 Modelo matemático.......................................................................................... 36 3.1.4 Interfaz gráfica ................................................................................................. 40 3.1.5 Objetivos de control ......................................................................................... 42
3.2 Simulación de un tanque de reacción con agitación continua ..................................... 48 3.2.1 Descripción del proceso................................................................................... 48 3.2.2 Arquitectura del simulador ............................................................................... 49 3.2.3 Modelo matemático.......................................................................................... 51 3.2.4 Interfaz gráfica ................................................................................................. 57 3.2.5 Objetivos de control ......................................................................................... 60
3.3 Resumen del capítulo .................................................................................................. 76
4. Guías prácticas ........................................................................................................... 79 4.1 Práctica de control lógico-secuencial de un proceso de esterilización ............ 79
XII Contenido
4.2 Práctica de control regulatorio de un tanque de reacción con agitación continua ........................................................................................................................ 82 4.3 Experiencia de los estudiantes ......................................................................... 85 4.4 Resumen del capítulo ........................................................................................ 87
5. Conclusiones y recomendaciones ........................................................................... 89 5.1 Conclusiones ..................................................................................................... 89 5.2 Recomendaciones ............................................................................................. 90
6. Bibliografía .................................................................................................................. 91
Contenido XIII
Lista de figuras
Pág. Figura 1-1: Esquema básico HIL. ............................................................................................ 5
Figura 1-2: Esquema simplificado de la arquitectura del simulador HIL................................ 10
Figura 2-1: Proceso de ingeniería de fabricación típico (17). ................................................ 15
Figura 2-2: Ambiente virtual para la automatización de una vivienda (20). ........................... 17
Figura 2-3: Concepto de simulación HIL (20). ....................................................................... 18
Figura 2-4: Esquema básico de un laboratorio remoto (21). ................................................. 19
Figura 2-5: Esquema de un caso de laboratorio remoto de automatización (22). ................. 20
Figura 2-6: Ventana de control y monitorización de un caso de laboratorio remoto (22). ..... 20
Figura 2-7: Lazo de control del sistema de control de clima de un vehículo (5). ................... 21
Figura 2-8: Esquema HIL del sistema de control de clima de un vehículo (5). ..................... 22
Figura 2-9: Plataforma HIL de un sistema hidráulico (23). .................................................... 23
Figura 2-10: Secciones de la herramienta Easy Java Simulations(24). .................................. 24
Figura 2-11: Interfaz de usuario para el control del sistema de tres tanques (25). ................. 25
Figura 2-12: Arquitectura del laboratorio virtual y remoto del sistema de tres tanques (25). .. 26
Figura 3-1: Ejemplo de un esquema de un esterilizador (27). ............................................... 30
Figura 3-2: Periféricos de entradas y salidas de la NI DAQ 6008 (28). ................................. 31
Figura 3-3: Interfaz del JilServer. .......................................................................................... 32
Figura 3-4: Esquema circuital de la tarjeta de potencia para las entradas digitales del PLC.33
Figura 3-5: Tarjeta de potencia para entradas digitales del PLC. ......................................... 33
Figura 3-6: Esquema circuital de la tarjeta de potencia para las salidas digitales del PLC. .. 34
Figura 3-7: Tarjeta de potencia para salidas digitales del PLC. ............................................ 35
Figura 3-8: Arquitectura HIL del simulador del proceso de esterilización por vapor de agua.
36
Figura 3-9: Interfaz gráfica del proceso de esterilización por vapor de agua. ....................... 40
Figura 3-10: Esquema de conexiones y direcciones para botones, sensores y switches del
esterilizador. ................................................................................................................................... 43
Figura 3-11: Esquema de conexiones y direcciones para actuadores y luces pilotos del
esterilizador. ................................................................................................................................... 43
Figura 3-12: Esquema de conexiones y direcciones para señal análoga de la temperatura del
esterilizador. .................................................................................................................................. 44
Figura 3-13: Control ON-OFF de temperatura del esterilizador para cada tipo de material. ... 45
Figura 3-14: Diagrama de flujo del proceso de esterilización por vapor de agua. ................... 46
Figura 3-15: Esquema del tanque de reacción con agitación continua. .................................. 49
Figura 3-16: Esquema HIL del simulador del tanque de reacción con agitación continua. ..... 50
Figura 3-17: P&ID del sistema de control de tanque de reacción con agitación continua. ...... 51
Figura 3-18: Panel de inicio de la simulación del TRAC. ......................................................... 57
Figura 3-19: Configuración del Jil SERVER para el proceso del TRAC. ................................. 58
Figura 3-20: Interfaz gráfica del TRAC. ................................................................................... 59
XIV Contenido
Figura 3-21: Ajuste manual de la temperatura en el proceso del TRAC. ................................. 62
Figura 3-22: Curva de reacción del lazo de temperatura del TRAC. ........................................ 64
Figura 3-23: Ajuste manual del caudal en el proceso del TRAC, ............................................. 65
Figura 3-24: Curva de reacción del lazo de caudal del TRAC. ................................................ 66
Figura 3-25: Diagrama de bloques del lazo cerrado de temperatura. ...................................... 68
Figura 3-26: Diagrama de bloques del lazo cerrado de caudal. ............................................... 71
Figura 3-27: Diagrama de conexiones entre el TRAC y PLC´s. ............................................... 73
Figura 3-28: Respuesta del lazo de control de temperatura del TRAC. ................................... 73
Figura 3-29: Respuesta del lazo de control de caudal del TRAC. ............................................ 74
Figura 3-30: Respuesta del lazo de control de caudal del TRAC. ............................................ 75
Figura 4-1: Esquemas de conexiones básico de los componentes del esterilizador al PLC. . 81
Figura 4-2: Desarrollo de las prácticas por parte de los estudiantes ..................................... 86
Contenido XV
Lista de tablas
Pág. Tabla 3-1: Descripción de los elementos de la interfaz gráfica del proceso de esterilización por
vapor de agua. ............................................................................................................................... 41
Tabla 3-2: Descripción de las variables del proceso de esterilización por vapor de agua. ........ 42
Tabla 3-3: Variables y parámetros del sistema del tanque de reacción con agitación continua. 52
Tabla 3-4: Puntos de operación del proceso del TRAC. ............................................................ 60
Tabla 3-5: Estado de las variables durante la estabilización manual de la temperatura del
producto a 80⁰C. ............................................................................................................................ 63
Tabla 3-6: Estado de las variables durante la estabilización manual del caudal del producto a 5
L/s. ................................................................................................................................................. 66
Tabla 4-1: Parámetros del bloque PI del PLC Siemens 314. ...................................................... 84
Contenido XVI
Anexos
Carpeta. Anexo A: Programación Ladder para el control del esterilizador con señales de switches. ........ A
Anexo B: Programación Ladder para el control esterilizador con señal anàloga de voltaje. ....... B
Anexo C: Programación PID para el control del tanque de reacción. ......................................... C
Anexo D: Esquema de entradas y salidas del PLC Siemens S7-314. ........................................ D
Anexo E: Encuestas de percepción de los estudiantes. .............................................................. E
Anexo F: Programación de la simulación del esterilizador en EJS. ............................................ F
Anexo G: Programación de la simulación del tanque de reacción en EJS.................................. G
Anexo H: Programación de los puertos del esterilizador en LabView. ........................................ H
Anexo I: Programación de los puertos y mímico del tanque de reacción en LabView. .............. I
Anexo J: Ejecutable en Java de la simulación del esterilizador. ................................................. J
Anexo K: Ejecutable en Java de la simulación del tanque de reacción. ..................................... K
Anexo L: Ejecutable del JilServer. .............................................................................................. L
Nota: todos los anexos se encuentran en el disco adjunto al documento
Contenido XVII
Introducción
Uno como ingeniero, al momento de enfrentarse a un proyecto, en lo que menos quiere
caer son en acciones de improvisación, las cuales pueden generar equivocaciones,
daños y retrasos que por ende se traducen en pérdidas económicas importantes. En este
punto es donde los programas de simulación juegan un rol importante en distintas ramas
de la ingeniería. Por ejemplo: cuando el ingeniero electricista tiene que desarrollar un
proyecto de iluminación, requiere simular en un software la salida lumínica de distintas
referencias de luminarias para garantizar que las superficies queden bien iluminadas.
Esto le permite determinar la cantidad de luminarias, la ubicación de cada una de ellas, la
cantidad de cableado requerido y costos de instalación, es decir, no cae en la
improvisación.
Para que una herramienta de simulación sea eficiente, esta debe arrojar resultados muy
cercanos a los obtenidos en una implementación real y ¿qué mejor forma de acercarse a
la realidad que involucrar componentes reales a un lazo de simulación?, por ello nace la
simulación Hardware-in-the-Loop (HIL), con la cual se hace la interacción de elementos
reales con elementos simulados en tiempo real. Este tipo de simulación es de gran
utilidad para la rama de automatización industrial, por ejemplo: es una gran ventaja
verificar una lógica de programación de un controlador sobre un proceso simulado en un
computador, de esta forma se detectan fallas antes de implementar el control sobre la
planta real evitando posibles daños en la misma.
Esta interacción entre componentes reales y simulados se convierte en una herramienta
atractiva para el ámbito académico, permitiendo a los estudiantes tener experiencias
cercanas a la realidad realizando prácticas con simulaciones HIL. De aquí nace el
principal enfoque del presente trabajo de maestría bajo el perfil de profundización, crear
una herramienta práctica que permita a los estudiantes de los cursos en automatización
industrial desarrollar habilidades de programación de PLC (Controlador Lógico
2 Introducción
Programable) para ejercer control lógico y regulatorio sobre unos procesos industriales
simulados en computador, esta herramienta es desarrollada bajo configuración HIL.
Para cubrir las dos vertientes de control (lógico y regulatorio), se desarrolla la simulación
en computador de dos procesos industriales, cada uno con un enfoque de control
distinto. Para el control lógico, se desarrolla la simulación de un proceso de esterilización
por vapor de agua mientras que, para el control regulatorio se desarrolla la simulación de
un tanque de reacción con agitación continua. Para realizar estas simulaciones se usa la
herramienta Easy Java Simulations, la cual permite resolver computacionalmente en
tiempo real los modelos matemáticos de cada planta y que dichos modelos interactúen
con el controlador industrial, en este caso un PLC.
Cabe recordar que el presente trabajo está desarrollado bajo un perfil de profundización,
donde el proceso de investigación va de la mano con los requerimientos de la
implementación del simulador HIL y con el enfoque de establecer relación entre lo
académico y lo industrial. El trabajo está estructurado en cinco partes que irán explicando
de forma detallada las etapas de este desarrollo, de la siguiente forma:
En el capítulo 1 denominado Fundamentos, el lector identifica la necesidad de
desarrollar un simulador HIL para los estudios de automatización industrial, identifica los
conceptos que básicos de la implementación y conoce los objetivos establecidos en el
proyecto. En el capítulo 2 denominado Antecedentes, se hace un repaso puntual por
distintos desarrollos basados en simulación antecedentes a éste, que permite conocer
qué se ha alcanzado en implementaciones de este tipo y hacia dónde vamos. En el
capítulo 3 denominado Desarrollo de las simulaciones, se explica de forma detallada
cómo fue la implementación de la simulación del proceso de esterilización por vapor de
agua y de la simulación del tanque de reacción con agitación continua. En el capítulo 4
denominado Guías prácticas, se da a conocer cuáles conocimientos y habilidades se
espera que adquieran los estudiantes durante el desarrollo de prácticas con el simulador
HIL y los resultados de una encuestas realizadas a un grupo de estudiantes que
experimentaron con las prácticas. Finalmente en el capítulo 5 denominado
Conclusiones y recomendaciones, como su nombre lo indica se expone de manera
puntual las conclusiones y recomendaciones del trabajo.
1. Fundamentos
En este capítulo se presentan los fundamentos que soportaron el desarrollo del presente
trabajo de maestría, dando la justificación del porqué desarrollar un simulador de
procesos industriales como herramienta de enseñanza-aprendizaje, se identifica la
necesidad que se plantea cubrir con dicha herramienta. Mediante este capítulo el lector
se irá familiarizando con conceptos que son claves en el presente desarrollo.
1.1 Justificación
Para entender cómo controlar un proceso industrial, es importante comprender los dos
tipos de control más comunes en la industria, el control lógico y el control regulatorio. El
control de tipo lógico está basado en las reglas ECA (evento-condición-acción), en la vida
cotidiana tenemos estas reglas, “está lloviendo (evento), si estoy manejando (condición),
disminuyo la velocidad (acción)” (1). En el ámbito industrial también es común
encontrarse con este tipo de reglas, “llenando una tolva con cereal (evento), la cantidad
de cereal llega al tope de la tolva (condición), se detiene el vertimiento de cereal
(acción).”
El control lógico es aplicado a procesos discretos, estos tipos de procesos se
caracterizan por producir cantidades finitas de un producto, durante etapas que deben
irse cumpliendo con un orden lógico. Dicho orden lógico está regido por transiciones
controladas por tiempo o por señales que detectan el final o inicio de una etapa (2). Este
tipo de procesos están caracterizados por tener elementos de entrada como sensores,
contactos secos y botoneras; y elementos de salida como actuadores de acción binaria
(ej. Válvulas todo-nada, relevos, motores) y luces pilotos de indicación. Estos elementos
de entrada y salida por lo general están controlados por un dispositivo programable, que
decide las acciones de control que requiere el proceso.
Por otra parte, el control de tipo regulatorio está enfocado en mantener una o varias
variables análogas (ej. nivel, temperatura, presión, voltaje) en un valor prefijado y
4 Capítulo 1. Fundamentos
compensar las perturbaciones que puedan desviar dicha variable de su valor (3). El
control regulatorio es aplicado a procesos continuos, estos tipos de procesos se
caracterizan por el transporte y almacenamientos de líquidos, gases, pastas y/o sólidos
con que presentan cambios en sus condiciones fisicoquímicas (2).
Se puede observar en las definiciones de los dos tipos de control, que ambos tienen en
común la presencia de un dispositivo programable como controlador del sistema.
Actualmente se cuentan con sistemas en simulación y/o electrónicos que permiten
ejercer una o varias técnicas de control previamente programadas. La tecnología
electrónica ha desarrollado el PLC (Programmable Logic Controller), el cual es un
dispositivo originalmente diseñado para realizar control tipo lógico, aunque en la
actualidad poseen funciones para realizar control regulatorio como por ejemplo bloques
PID (Proporcial-Integral-Derivativo).
Por ejemplo, se cita el artículo de Reza S. et al., titulado “PID Implementation of Heating
Tank in Mini Automation Plant Using Programmable Logic Controller (PLC)” (4). En este
proyecto se hace el control regulatorio de la temperatura de un tanque mediante los
bloques PID de un PLC, estos envían ordenes a uncalentador eléctrico (elemento final de
control) que calienta la sustancia contenida en el tanque. Dichas órdenes dependen del
valor temperatura medido por una termocupla (sensor) y por el punto de ajuste (set point)
establecido por el operario.
Con estas capacidades de control, se ha despertado el interés por parte de la
Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá, en el desarrollo de prácticas con PLC´s
en la formación de estudiantes y personal técnico en el ámbito de la automatización
industrial. En donde las personas en formación puedan interactuar con un PLC para
ejercer control sobre procesos industriales a pequeña escala (conocidas como plantas
piloto), sin embargo, el alto costo de estas plantas ha limitado su introducción en las
prácticas de control de procesos.
Por esta razón, en el presente trabajo de maestría, perfil de profundización, se plantea el
desarrollo de procesos industriales a nivel de simulación bajo configuración Hardware-in-
the-Loop (HIL). A continuación, se va a describir en qué consiste la simulación HIL y que
aportes ofrece para el presente trabajo de maestría.
Capítulo 1. Fundamentos 5
1.1.1 Concepto de Simulación Hardware-in-the-Loop
En una simulación Hardware-in-the-Loop (HIL) partes reales de un sistema, por ejemplo
un controlador, están acopladas con partes virtuales del mismo sistema que son
simuladas mediante modelos matemáticos en uno o varios computadores en tiempo real
(5). Si observamos un lazo de control convencional (Figura 1-1) podemos tener un
proceso conformado por su elemento final de control, este es simulado en un computador
mediante un grupo de Ecuaciones A, estas ecuaciones interactúan computacionalmente
con las Ecuaciones B que describen el comportamiento de la planta y esta a su vez
interactúan con las Ecuaciones C que modelan al Sensor-Transmisor. El o los valores
resultantes entre la interacción de los elementos virtuales llegan de forma física (voltaje o
corriente) a un controlador real (en este caso un PLC) mediante elementos de Hardware
y Software. Finalmente, el controlador enviará órdenes que llegarán en forma virtual al
proceso.
Figura 1-1: Esquema básico HIL.
Gracias a la técnica de simulación HIL se puede verificar el funcionamiento de los
sistemas antes de implementarlos en la realidad, permitiendo modificar variables de los
procesos sin correr el riesgo de causar daños en equipos reales (6). Esta cualidad da a
entender que los procesos deben ser simulados lo más parecidos a la realidad, sin
embargo, como el presente trabajo de maestría está enfocado a desarrollar una
herramienta académica, se puede acelerar los cambios de las variables a través del
tiempo, agilizando el desarrollo de las prácticas y por ende la velocidad en el aprendizaje.
6 Capítulo 1. Fundamentos
Un ejemplo de lo anterior, se podría observar en el caso de control de temperatura; se
sabe que ésta es la variable que cambia con más lentitud en el tiempo, y que si se realiza
esta práctica en una planta piloto, seguramente habría que esperar varios minutos e
incluso horas para que un cierto elemento se caliente o se enfríe hasta alcanzar la
temperatura deseada. Esto representa un problema si son varios los grupos de
estudiantes que requieran hacer la práctica, mientras que por simulación, se puede
acelerar la velocidad de cambio de la temperatura y no se alterarían los objetivos de
control.
Esta herramienta será novedosa en el ámbito educativo, ya que, como se observará en el
punto de antecedentes (capítulo 2) son pocas las herramientas de este estilo que se han
desarrollado a nivel educativo, donde la mayoría son desarrollos de laboratorios remotos,
además, éstas en general se enfocan en un solo proceso mientras que en el presente
trabajo se desarrollan dos simulaciones, una enfocada a un proceso discreto-secuencial
y otra enfocada a un proceso continuo, esto le permitirá a los estudiantes adquirir
habilidades en el desarrollo de lógicas de control y la programación de PLCs. Además,
esta herramienta también podrá generar acercamientos de la Universidad con la
industria, dado que se podrían realizar talleres de entrenamiento para técnicos e
ingenieros.
1.2 Identificación del problema
Un PLC, es un dispositivo digital utilizado para el control de máquinas y operación de
procesos. Según la definición de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos de los
Estados Unidos (National Electrical Manufacturarers Association, NEMA) (2), se trata de
un aparato digital electrónico con una memoria programable para el almacenamiento de
instrucciones, que permite la implementación de funciones específicas como: lógica,
secuencial, temporizado, conteo y aritmética; con el objeto de controlar máquinas o
procesos a través de entradas y salidas tanto análogas como discretas. Los PLC son
utilizados en donde se requieran equipos con capacidad de control lógico y/o secuencial,
aunque también pueden utilizarse en donde se debe implementar control regulatorio.
El PLC posee un conjunto de funciones de cálculo y bloques para realizar control
regulatorio y procesar variables analógicas, como por ejemplo bloques PID (Proporcional-
Capítulo 1. Fundamentos 7
Integral-Derivativo); para esta función se adicionan módulos de entradas y salidas
analógicas al PLC. El módulo de entradas se encarga de convertir un valor analógico en
un número en formato binario (digital) por medio de una conversor Análogo/Digital (A/D),
mientras que el módulo de salida, se encarga de tomar valores digitales controlados y
convertirlos en un valor analógico, (corriente o voltaje), por medio de un conversor
Digital/Análogo (D/A) para ser enviado al elemento final de control, como por ejemplo una
válvula (2).
Debido a dicho atributo, el PLC es usado para el control de procesos industriales, los
cuales pueden dividirse en procesos discretos y continuos. En estos dos tipos, deben
mantenerse en general las variables, bien sea en un valor deseado fijo o en un valor
variable de acuerdo con una relación predeterminada. En la industria existen distintas
variables a controlar, sin embargo, se consideran las variables presión, caudal, nivel y
temperatura como las fundamentales, debido a que son las más comunes (3).
Lo anteriormente descrito cobra importancia dentro de los programas de estudios en
automatización industrial, ya que hace significativo el desarrollo de las prácticas de
control con PLC. Existen una serie de herramientas que permiten aproximar las prácticas
a procesos reales; una de estas es la ya mencionada planta piloto, que si bien es una
herramienta muy eficaz, normalmente es de alto costo y compleja.
Un ejemplo de esto es la tesis de grado desarrollada por García V. en la Universidad de
Carabobo, Valencia, Venezuela, denominada “Ingeniería de Destalles para la instalación
y automatización de los procesos de pH, Control de Intercambiadores de Calor y Mezcla
de Fluidos Fríos y Calientes en el Laboratorio de Instrumentación de Procesos del
Departamento de Sistemas y Automática de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la
Universidad de Carabobo” (7). En este trabajo se hace énfasis en el costo de la
implementación, la cual fue de 21.693,270 Bs., que para le época equivalía a unos
9.400,00 USD. Otro ejemplo es el trabajo desarrollado por Escorcia D. et al., de la
Universidad de Ingeniería, Mangua, Nicaragua, denominado “Diseño y montaje de una
planta piloto para la extracción de Quitina y proteínas” (8), esta planta requirió de una
inversión inicial de 10.520,94 USD. Muchas instituciones educativas no pueden cubrir
estos costos, además, es un desarrollo que requiere un tiempo que puede resultar
extenso para planes académicos que se deseen poner en práctica.
8 Capítulo 1. Fundamentos
Por otra parte, el laboratorio de Automatización de Máquinas de la Universidad Nacional
de Colombia, sede Bogotá, cuenta con una serie de PLCs como Siemens S7-300, VIPA
CPU 114 y Allen Bradley Compactlogix; con los cuales se desarrollan prácticas de control
lógico, como por ejemplo: energizado de relés y contactores en intervalos de tiempo y
conteo, encendido y apagado de luces pilotos y control secuencial en un banco
electroneumático (9). Debido a que los equipos disponibles para desarrollar las prácticas
antes mencionadas no son suficientes ante la demanda de estudiantes, los cuales se
tienen que turnar para realizarlas con la limitante del tiempo en contra, y por ende no
desarrollan lógicas suficientes de programación de control automático con PLC. En
cuanto al control regulatorio la Universidad cuenta con muy pocas plantas piloto y
equipos para desarrollar prácticas en este tópico.
Una alternativa aplicada en el laboratorio de Automatización de Máquinas para el
desarrollo de prácticas con PLC es el uso de un simulador donde se puede forzar las
entradas digitales del PLC y verificar en tiempo real el comportamiento de la
programación verificando el encendido de las salidas, el arranque de los temporizadores,
funciones lógicas y contadores. La herramienta de simulación utilizada es la que ofrece el
software de programación “WinPLC7 V5” de VIPA (10), sin embargo, el inconveniente en
este tipo de herramientas se presenta cuando se va a simular procesos con alta cantidad
de etapas, entradas y salidas, ya que se hace difícil seguir la secuencia para verificar el
correcto funcionamiento.
En el presente trabajo de maestría, perfil de profundización, se desarrollará un simulador
de procesos industriales bajo configuración Hardware-in-the-Loop para la práctica-
enseñanza de control lógico y regulatorio mediante un PLC, con el cual los estudiantes
podrán desarrollar prácticas de programación de PLC para aplicar control sobre dos
plantas simuladas. Para la comunicación de las variables de los procesos simulados con
las entradas y salidas análogas y digitales del PLC se usan las tarjetas de adquisición de
datos (DAQ) de National Instruments, las cuales se programan a través del software
LabVIEW. Para implementar los modelos matemáticos que rigen el comportamiento de
los proceso a simular, se hace un análisis de selección de una herramienta
computacional que permita hacer esta tarea, dicho análisis se explica al final de este
capítulo.
Capítulo 1. Fundamentos 9
Para el desarrollo de este trabajo se eligieron los siguientes procesos: el proceso lógico
seleccionado a simular es un proceso de esterilización por vapor de agua (esterilizador
clínico), mientras que el proceso continuo seleccionado es tanque de reacción con
agitación continua (reactor químico). A continuación, se hace una breve descripción de
cada uno de los procesos:
Un esterilizador clínico es un equipo que se utiliza para desinfectar elementos de uso
para la salud, como instrumentos de laboratorio y jeringas. Su funcionamiento consiste
en introducir los elementos a esterilizar en un compartimiento que quedará
herméticamente cerrado; una vez colocados los elementos, se introducen hasta cuatro
litros de agua que se empiezan a calentar a unos 120 °C durante 20 o 30 minutos. La
presión de vapor de agua y la temperatura generada internamente se encarga de
esterilizar los elementos (11). Con esta descripción se resume que la variable analógica a
controlar es temperatura y como variables lógicas se tienen las señales provenientes de
los botones, sensores y luces pilotos.
Para el proceso continuo, se seleccionó un tanque de reacción con agitación continua
(TRAC) es utilizado en la fabricación de una definida cantidad de productos químicos con
una cierta concentración. A medida que el producto va ingresando al tanque, este es
sometido a una agitación continua y su vez se origina aumento de temperatura, lo cual
modifica la concentración del producto (reacción exotérmica). En la simulación de este
proceso se puede tener modelos simplificados lineales e incluso modelos con no
linealidades, las variables involucradas en este proceso son temperatura, caudal y
concentración química (3). En la Figura 1-2 se muestra un esquema simplificado de
arquitectura del simulador bajo configuración HIL.
10 Capítulo 1. Fundamentos
Figura 1-2: Esquema simplificado de la arquitectura del simulador HIL.
Con las descripciones anteriores, se observa que los procesos seleccionados cubren las
principales variables del campo industrial tanto lógicas como análogas, con estos
procesos se espera cubrir los tópicos de control lógico y regulatorio mediante un PLC.
Sin embargo, el uso de los procesos simulados genera el siguiente interrogante:
¿Qué tan efectivo será el simulador de procesos industriales bajo configuración HIL y
su interacción con el PLC para aplicar técnicas de control lógico y regulatorio, con el f in
de utilizarlo como herramienta de práctica-enseñanza en los programas de estudio en
Automatización Industrial de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá?
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo general
Desarrollar un simulador de procesos industriales bajo configuración Hardware-in-the-
Loop para la práctica-enseñanza de control lógico y regulatorio mediante un PLC, que
sea una herramienta de entrenamiento para los estudiantes que cursan los programas de
estudio en Automatización Industrial de la Universidad Nacional de Colombia, sede
Bogotá.
Capítulo 1. Fundamentos 11
1.3.2 Objetivos específicos
1) Identificar los modelos matemáticos ajustados con propósitos de control que
describen el comportamiento dinámico del proceso de esterilización por vapor de
agua y del tanque de reacción con agitación continua.
2) Realizar mediante un entorno de desarrollo de software la simulación del proceso
de esterilización por vapor de agua y del tanque de reacción con agitación
continua que van a interactuar en tiempo real con el PLC.
3) Desarrollar la lógica de programación del PLC para el control del proceso de
esterilización por vapor de agua y del tanque de reacción con agitación continua
que corren en simulación.
4) Verificar el correcto funcionamiento del simulador HIL aplicando distintas lógicas
de control con la ayuda de un grupo de estudiantes de la maestría en
Automatización Industrial.
1.4 Selección del entorno de programación
Como se menciona en el segundo objetivo específico, se requiere de un entorno de
desarrollo de software en el que se pueda simular los procesos industriales
seleccionados, este entorno debe cumplir con los siguientes requisitos:
1) Ser un software libre.
2) Resolver modelos matemáticos en el tiempo.
3) Poseer herramientas para el desarrollo de mímicos de procesos.
4) Permitir relacionar las variables del modelo matemático con variables en
LabVIEW, con el fin de poder enviar dichas variables a los periféricos de entradas
y salidas del PLC mediante la tarjeta de National Instruments.
Luego de un proceso de investigación se seleccionó la herramienta de software libre
Easy Java Simulations (EJS), la cual permite desarrollar simulaciones interactivas en
Java o Javascript con propósitos académicos. Esta herramienta fue desarrollada por el
12 Capítulo 1. Fundamentos
profesor Francisco Esquembre de la Universidad de Murcia, España (12) y fue hecha con
el propósito de desarrollar clases de física interactivas, sin embargo, posee las
herramientas necesarias para el desarrollo de este trabajo de maestría dado que: permite
introducir modelos matemáticos en ecuaciones de primer orden, posee distintos métodos
computacionales para la resolución de las ecuaciones diferenciales en el tiempo y posee
herramientas para desarrollar mímicos que pueden interactuar con las variables de los
modelos matemáticos.
La segunda herramienta es el servidor llamado JIL SERVER que permite comunicar en
tiempo real las variables de los modelos matemáticos que corren en EJS con las
variables creadas en LabVIEW. Este servidor fue desarrollado por el profesor Héctor
Vargas de la UNED de España (13).
1.5 Resumen del capítulo
En este capítulo se abordó el tema de la necesidad de crear simulaciones de procesos
industriales; que sirvan de herramienta para el desarrollo de prácticas en control lógico y
regulatorio, dado que la implementación de plantas piloto es algo costoso y complejo.
Para que estas simulaciones no se alejen de la realidad, se plantea desarrollarlas bajo el
concepto Hardware-in-the-Loop, el cual consiste en acoplar un componente real con un
componente virtual, en este caso el primero es un PLC y el segundo son los procesos
industriales corriendo en simulación; con el fin de que los estudiantes pongan en práctica
la programación de control lógico y regulatorio mediante un PLC para ejercer control
sobre los dos procesos industriales simulados. Para el ámbito de control lógico el
proceso seleccionado es el de esterilización por vapor de agua, mientas que para el
ámbito regulatorio el proceso seleccionado es un tanque de reacción con agitación
continua.
Para hacer realidad lo anterior, se plantea el uso de Easy Java Simulations para
desarrollar las simulaciones y que éstas sean acopladas al PLC por medio de DAQ`s y la
programación de éstas mediante LabView. Ahora, en el siguiente capítulo se presentará
de manera resumida un grupo de trabajos que sirvieron de base para conocer las
características antes mencionadas que permiten desarrollar el simulador HIL, por otra
parte, estos trabajos muestran los alcances obtenidos con este tipo de simulaciones en
distintos ámbitos de la ingeniería.
2. Antecedentes
En el presente capítulo el lector dará un recorrido por distintos desarrollos que
permitieron conocer los alcances y aportes de simulaciones en el ámbito académico-
industrial. Primero se presentarán algunas contribuciones de las simulaciones en los
procesos industriales, luego el aporte de algunos trabajos de simulación en la enseñanza
de la automatización industrial, luego se presentarán algunos aportes de la simulación
bajo configuración HIL y finalmente se presenta distintos desarrollos de simulación con
EJS.
2.1 La simulación en los procesos industriales
Simular consiste en usar un modelo para calcular y proporcionar cierta variable de salida
con el fin de producir evoluciones similares ante idénticos estímulos. En una simulación
es preciso conocer el valor de las entradas (manipulables o no), ya que, lo que se
pretende calcular es el valor de las salidas que dependen de ellas. Para realizar la
simulación se proporciona un modelo, una situación inicial y el valor de las entradas en
cada instante de tiempo posterior (14).
La industria se ve forzada a construir costosas plantas piloto para simular y probar el
comportamiento de nuevos procesos para aplicar después los conocimientos adquiridos
en la planta real. Esta simulación suele ser complicada y costosa, y a veces imprecisa
debido a los cambios de escala entre la planta piloto y la planta real; de allí nace la
necesidad de desarrollar en computadores simulaciones de plantas industriales.
La simulación es una herramienta de trabajo que se desarrolló en paralelo con la
aparición del computador y que, poco a poco, se ha impuesto gracias a la mayor
velocidad y capacidad que los computadores han ido ofreciendo a la industria. El uso del
computador en la simulación se inició con el programa PACER en 1966, y su creciente
uso en la simulación de procesos industriales ha sido posible gracias al desarrollo de las
técnicas numéricas y al empleo de nuevos lenguajes de simulación.
14 Capítulo 2. Antecedentes
El aumento de la potencia de cálculo de los computadores permite a los ingenieros de
diseño, simular en tiempo real el funcionamiento y control de equipos complejos tales
como compresores, calderas de vapor, turbogeneradores, entre otros, con el objeto de
mejorar el rendimiento en su utilización. La aplicación de los computadores se ha
expandido a muchas áreas de la industria, tanto en las áreas de la distribución como en
las de proceso (15).
Muchos investigadores han diseñado sistemas de control supervisorio partiendo del
desarrollo de una simulación como herramienta base para el análisis y entendimiento de
los procesos industriales; un ejemplo es el trabajo desarrollado por Yaxian Lu, y Xiwu He,
titulado “Design of Automatic Control System for Waterworks based on PLC”(16), en el
que partiendo de la necesidad de fabricar plantas de tratamiento de agua en China, se
propusieron diseñar un sistema automático controlado de manera inalámbrica por un
PLC S7-200 de Siemens que pueda monitorear el caudal de agua, el valor de pH, la
presión en la red de tuberías, la seguridad del proceso y el control automático de
dosificación de cloro y alumbre.
El sistema usa una estructura computarizada de inicio a fin, donde mediante una interfaz
de simulación se puede monitorear datos del sistema en tiempo real, observar señales de
emergencia, y almacenar históricos.
Otro uso común de técnicas de simulación es en la fase de diseño en la Ingeniería de
Procesos de Fabricación; con respecto a esto Hironi Hibino, y Yoshiro Fukuda
desarrollaron un trabajo titulado “Emulation in Manufacturing Engineering Processes''(17),
en el que parten de la necesidad de reducir los tiempos entre el diseño y la
implementación de celdas de fabricación. Dicha necesidad la cubren mediante el uso de
un método denominado “front-loading'', que permite encontrar problemas de diseño e
implementación en una fase temprana, por lo que se limita al mínimo el número de veces
necesarias para regresar a una fase anterior y perfeccionar el diseño.
El frot-loading combina tecnologías de simulación y emulación; la diferencia entre éstas
es que la primera significa crear condiciones y resultados basados en un modelo que es
observado y manipulado mediante un computador y la segunda se refiere a la interacción
de la simulación con equipos reales para verificar el funcionamiento del diseño realizado.
Los autores establecen cuatro fases para el desarrollo de sistemas de manufactura:
planificación, diseño, implementación y pruebas, y finalmente, la ejecución.
Capítulo 2. Antecedentes 15
La etapa de planificación consiste en definir requisitos fundamentales de fabricación y la
etapa de diseño consta en fijar especificaciones, número de equipos necesarios y
gestión; estas dos primeras etapas se verifican mediante el desarrollo de una simulación.
Luego viene la etapa de implementación, donde se instalan y programan equipos como
robots, controladores, sensores, entre otros. Posteriormente, viene la etapa de prueba,
donde se ponen a interactuar los equipos implementados con la simulación (emulación
del sistema) para verificar que la celda de fabricación cumpla con los requisitos previstos
en el diseño, y finalmente, se procede a la ejecución del proceso de fabricación. En la
Figura 2-1 se muestra un diagrama de bloques del proceso descrito.
Figura 2-1: Proceso de ingeniería de fabricación típico (17).
En la Universidad Nacional de Colombia, se han elaborado tesis de grado para el estudio
y diseño de distintos procesos industriales partiendo del desarrollo de modelos y
simulaciones; una de estas es el trabajo realizado por C. Gómez, titulado “Modelamiento
y simulación de un horno túnel industrial'' (18), donde se simularon los fenómenos de la
transferencia de energía entre gases y producto durante la cocción de ladrillo en un
16 Capítulo 2. Antecedentes
horno túnel utilizando carbón y gas de síntesis como combustible para darle energía al
horno.
Para la solución del modelo matemático y su respectiva simulación se utilizó como
herramienta computacional CFD (Dinámica Computacional de Fluidos) utilizado para
resolver procesos gobernados por la transferencia de masa, momento y energía. El
modelo fue satisfactoriamente validado con las curvas de cocción con carbón y fueron
realmente medidas en el horno túnel de una empresa ladrillera, permitiendo predecir el
comportamiento térmico del horno.
Otro trabajo en la Universidad Nacional de Colombia es la tesis elaborada por F.
Andrade, titulada “Desarrollo de herramienta de simulación para equipos separadores de
agua libre'' (19). En este trabajo se desarrolló una herramienta de simulación para
obtener los parámetros de diseño de equipos de separación de agua en los procesos
petroleros.
El diseño incorpora algunas soluciones algebraicas y procedimientos de optimización
para el dimensionamiento de recipientes. Adicionalmente se propuso un procedimiento
para enlazar el software de modelado OpenModélica con un software de simulación para
generar una interfaz amigable que permite el ingreso de información indispensable en el
diseño, el análisis de desempeño y la simulación dinámica del separador de agua,
reduciendo los tiempos de ejecución y permitiendo el análisis del desempeño en
diferentes condiciones de operación.
2.2 La simulación como herramienta de enseñanza en la automatización industrial
Además del uso de las simulaciones para la puesta en marcha de procesos en la
industria, también han adquirido un rol importante dentro de los programas de enseñanza
y aprendizaje de la automatización industrial. A esto hace referencia el artículo
desarrollado por M. Vaananen et al., titulado “Virtual Learning Environment Concept for
PLC-programming-Case: Building Automation” (20). En este artículo se describe un
ambiente para el aprendizaje de programación de PLC desarrollado en la HAMK
University of Applied Sciences en Finlandia. Este instituto ofrece programas de estudios
en automatización industrial y dichos programas hacen énfasis en la enseñanza de PLC
Capítulo 2. Antecedentes 17
en cada una de las ramas de la ingeniería que requieren del conocimiento de esta
importante tecnología.
Los autores describen que la base para el aprendizaje de PLC es que los estudiantes
desarrollen habilidades lógicas de programación con distintos casos de estudios, y que la
forma más efectiva de lograrlo es desarrollando prácticas con bancos de trabajo y plantas
piloto. Como la oferta no es suficiente para cubrir la demanda de estudiantes, se decidió
recurrir a la herramienta de simulación para ofrecer ambientes virtuales, y permitir a
varios estudiantes desarrollar prácticas al mismo tiempo.
Ahora bien, resultaba necesario desarrollar un ambiente virtual que fuese práctico y
sencillo para que los estudiantes den los primeros pasos en el desarrollo de su lógica de
programación. De allí nació la idea de desarrollar un ambiente de simulación para la
automatización de una vivienda, lo cual es algo totalmente cotidiano para los estudiantes
y es una automatización más sencilla para empezar comparada con el control lógico y
regulatorio de una planta industrial simulada.
Se realizó una simulación en 3D que permite observar y controlar funciones de una
residencia moderna tales como: control de luces, regulación de temperatura en las
habitaciones, monitoreo del sistema central, sistemas de alarmas para la detección de
fugas de agua, humo o gas CO2. El ambiente de la simulación ofrece botones para
cambiar los escenarios de la vivienda y activar señales de los controladores remotos y de
detectores de movimiento, a través de una interfaz gráfica como se muestra en la Figura
2-2.
Figura 2-2: Ambiente virtual para la automatización de una vivienda (20).
18 Capítulo 2. Antecedentes
El concepto del ambiente virtual para la automatización de una vivienda está basado en
simulación HIL. En el concepto HIL, el sistema controlador (PLC) recibe las señales por
parte del simulador y este le envía respuestas de regreso, sujetas a la programación del
PLC desarrollada por los estudiantes con el objetivo de mantener el control de la
vivienda. En la Figura 2-3 se muestra el concepto de la simulación HIL.
Figura 2-3: Concepto de simulación HIL (20).
Un método de enseñanza novedoso donde está directamente relacionada la técnica de
simulación son los laboratorios a distancia, conocidos como laboratorios remotos. Con la
evolución de los computadores y de la Internet, se generó la tendencia de sustituir
laboratorios locales tradicionales por laboratorios abiertos y a distancia. A este método de
enseñanza hace referencia el artículo desarrollado por Xiaomei Chen, y Hongyi Gao,
titulado “A Remote PLC Laboratory Design and Realization''(21). Este documento
introduce un diseño de laboratorio remoto para ser utilizado en el trabajo práctico con
PLC, con el que los estudiantes pueden completar los ejercicios de programación de PLC
en cualquier lugar y tiempos diferentes durante las horas académicas establecidas.
Los autores describen que los laboratorios remotos se pueden clasificar de dos maneras:
La primera categoría está basada en una tecnología de software de simulación; la
segunda categoría se basa en una interfaz de hardware que incluye al PLC, la planta real
y una cámara IP para observarla a distancia. Adicionalmente, desarrollaron una serie de
Capítulo 2. Antecedentes 19
encuestas para evaluar los efectos del uso de los laboratorios remotos, mostrando que la
experiencia es positiva y, en consecuencia, valorada por los estudiantes. En la Figura 2-4
se muestra un esquema básico de los laboratorios remotos.
Figura 2-4: Esquema básico de un laboratorio remoto (21).
Son varias las instituciones que están desarrollando laboratorios remotos apoyándose de
entornos de simulación que interactúen a distancia con plantas piloto y controladores; un
ejemplo de esto es el laboratorio remoto de automatización industrial de la Universidad
Politécnica UNEXPO, en Barquisimeto, Venezuela, desarrollado por F. De La Cruz et al.,
quienes en su artículo titulado ``Web-LABAI: Laboratorio Remoto de Automatización
Industrial'' (22) explican como desarrollaron un sistema Hardware-Software que permite
monitorizar y controlar variables de manera remota desde una página Web la maqueta
que simula un proceso de fabricación de alimentos.
El sistema hardware incluye al PLC que controla la planta, a la cámara IP para observarla
a distancia y a la maqueta propiamente. El software está constituido por una aplicación
Servidor y una aplicación Cliente. La primera contiene un Servidor Modbus TCP/IP, el
cual es un protocolo que permite comunicarse con el PLC, y un Servidor Web, que aloja
una página Web a través de la cual los usuarios accederán al laboratorio remoto. La
aplicación Cliente se compone de un conjunto de applets de Java que permiten controlar
y monitorizar el sistema, y además visualizar el proceso en tiempo real a través de la
cámara IP. En la Figura 2-5 se muestra la arquitectura del sistema descrito,
posteriormente en la Figura 2-6 se observa la ventana de control y monitorización.
20 Capítulo 2. Antecedentes
Figura 2-5: Esquema de un caso de laboratorio remoto de automatización (22).
Figura 2-6: Ventana de control y monitorización de un caso de laboratorio remoto(22).
Capítulo 2. Antecedentes 21
2.3 Desarrollos con simulaciones Hardware-in-the-Loop
Como se vio en los dos puntos anteriores, existen distintas técnicas de simulación
relacionadas a la automatización industrial, con distintas arquitecturas, con distintos
protocolos de comunicación y con fines académicos o industriales. Ahora en este punto
se dará a conocer distintos desarrollos con simulaciones Hardware-in-the-Loop, las
cuales permitieron conocer los alcances que se pueden obtener con dicha técnica de
simulación.
El primer trabajo que se consideró ideal para los fines investigativos de esta tesis es el
desarrollado por David Michalek, etal. Titulado “Hardware-in-the-Loop Simulation of a
Vehicle Climate Controller with a combined HVAC and passenger compartment”(5), el
objetivo de este trabajo es elaborar el algoritmo del controlador real de clima de un
vehículo haciendo pruebas sobre distintas condiciones (entradas del sistema) llevadas a
simulación antes de aplicar el control en el sistema real. Entre las condiciones se tienen:
la velocidad del vehículo, las condiciones ambientales, el sistema mecánico del aire
acondicionado, la temperatura interior del vehículo; cada una de estas condiciones se
llevan a simulación a través de sus modelos matemáticos, las salidas de cada una de
estas condiciones son medidas por un sensor también llevado a simulación el cual le
enviará la información al controlador real de clima del vehículo. En la Figura 2-7 se
muestra el lazo de control del sistema y en la Figura 2-8 se puede observar el esquema
HIL del sistema.
Figura 2-7: Lazo de control del sistema de control de clima de un vehículo (5).
22 Capítulo 2. Antecedentes
Figura 2-8: Esquema HIL del sistema de control de clima de un vehículo (5).
Otro desarrollo es el trabajado realizado por F. Aghili y J-C. Piedboeuf titulado
“Hardware-in-the-Loop Simulation Robots Interacting with Environment via Algebraic
Differential Equation”(6). Este trabajo tuvo por objetivo probar en simulación el
comportamiento de un robot especial, haciendo uso de las ecuaciones diferenciales que
describen el comportamiento del mismo, este trabajo permitió realizar un diseño confiable
del robot antes de llevarlo a la realidad.
Entrando en las aplicaciones de HIL en la automatización industrial, se resalta el trabajo
de E. Zaev et al., titulado “Hydro Power Plant Governor Testing Using Hardware-In-The-
Loop''(23), en donde se menciona que hoy en día las simulaciones HIL son un estándar
de pruebas para el diseño de controladores y permiten verificar la correcta configuración
y programación de un controlador, conectándolo con una planta simulada; en este caso,
la simulación se realizó en un software SCADA (Supervisory Control And Data
Acquisition) de National Instruments llamado Lookout, el cual soporta alta transferencia
de datos en tiempo real.
El caso de estudio del artículo es el control de un gobernador de velocidad de una planta
hidráulica a través de un PLC; para ello desarrollaron un modelo de la planta hidráulica
usando Matlab/Simulink, que es convertido en código C usando Matlab Real-
TimeWorkshop y se corre en tiempo real conectándolo en lazo cerrado con el PLC
(controlador del sistema hidráulico) y la planta real. Finalmente, a través de OPC se
establece la comunicación entre el modelo de la planta (Matlab/Simulink) y la simulación
(SCADA), en la Figura 2-9 se muestra la estructura de la plataforma HIL utilizada.
Capítulo 2. Antecedentes 23
Figura 2-9: Plataforma HIL de un sistema hidráulico (23).
2.4 Desarrollos en Easy Java Simulations
En el punto anterior se observaron tres casos puntuales de aplicaciones con HIL, que
permitieron observar distintos alcances que se pueden obtener con esta configuración de
simulación y además aportaron ideas en cuanto a la arquitectura desarrollada en el
presente trabajo. Ahora, es importante conocer los alcances que puede dar EJS como
herramienta de simulación en los niveles de resolución de ecuaciones diferenciales y
elaboración de mímicos de proceso.
Se comenzará haciendo mención al trabajo de Rubén Sánchez Sánchez titulado
“Simulación de un sistema de resortes para alumnos de física del nivel superior”(24).
Este trabajo tuvo como objetivo desarrollar la simulación del clásico sistema masa-
resorte haciendo uso de la herramienta EJS, con el fin de ilustrar el fenómeno físico
haciendo la clase más interactiva entre el alumno y el profesor.
Este desarrollo generó un gran aporte para el presente trabajo de maestría dado que el
autor muestra paso a paso cómo estructurar una simulación en EJS. Explica que dicha
herramienta se compone de tres partes:
24 Capítulo 2. Antecedentes
- Descripción: es la sección donde se edita a mano las características básicas o
descriptivas del fenómeno físico.
- Modelo: es la sección en donde se introducen las variables y las ecuaciones
diferenciales del modelo matemático del fenómeno físico y permite
seleccionar el método de resolución de la ecuación diferencial.
- Vista: es la sección donde se diseña el mímico del fenómeno físico.
En la Figura 2-10 se muestran las tres secciones de EJS.
Figura 2-10: Secciones de la herramienta Easy Java Simulations(24).
Aproximándose al ámbito académico-industrial, está el trabajo de Natividad Dura et al.
titulado “El sistema de tres tanques: un laboratorio virtual y remoto usando Easy Java
Simulations” (25). En este trabajo desarrollan un laboratorio virtual y remoto para la
realización de experiencias sobre un sistema MIMO (Múltiples Entradas Múltiples
Salidas) no lineal: el sistema de tres tanques. La idea de este desarrollo es que los
Capítulo 2. Antecedentes 25
estudiantes puedan ejercer control sobre los tres tanques, ya sea sobre una simulación o
sobre el sistema real de manera remota, la simulación y la interfaz de usuario de este
sistema fueron desarrolladas en EJS.
Este desarrollo genera un aporte importante para el presente trabajo de maestría dando
evidencia de que con EJS se puede simular procesos con características no lineales y
con múltiples entradas y salidas. En la Figura 2-11 la interfaz del usuario del desarrollo y
en la 2-12 se observa la arquitectura del laboratorio remoto.
Figura 2-11: Interfaz de usuario para el control del sistema de tres tanques (25).
26 Capítulo 2. Antecedentes
Figura 2-12: Arquitectura del laboratorio virtual y remoto del sistema de tres
tanques(25).
Por último, vale resaltar el trabajo de G. Farias et al., titulado “Desarrollo de laboratorios
virtuales, interactivos y remotos utilizando Easy Java Simulations y modelos en Simulink”
(26). Lo interesante de este trabajo es que el modelo matemático es ejecutado en la
herramienta Simulink de Matlab, las variables del modelo interactúan en tiempo real con
el mímico desarrollado en EJS gracias a un servidor denominado JIM (Java Internet
Matlab). Con este trabajo se aprendió el uso de servidores que permiten comunicar EJS
con otras herramientas como Matlab o en el caso del presente trabajo de maestría, con
LabVIEW.
2.5 Resumen del capítulo
En este capítulo se presentó una serie de desarrollos basados en simulación, iniciando
con repaso de ciertas contribuciones de la simulación al área industrial, las cuales han
ayudado al desarrollo de sistemas supervisorios y pruebas de sistemas antes de su
implementación real. Luego se describen una serie de trabajos basados en herramientas
de enseñanza de la automatización industrial, donde se destacan los laboratorios
remotos; los cuales consisten en la interacción a distancia del estudiante con el proceso
real a través de una interfaz gráfica.
Capítulo 2. Antecedentes 27
Una vez puesta en contexto la simulación como elemento que permite combinar los
escenarios academia-industria, se presentan algunos alcances obtenidos gracias a la
simulación Hardware-in-the-Loop, donde se evidencian distintos enfoques para la
interacción de elementos reales como controladores con elementos corriendo en
simulación como comportamientos de un proceso ante distintas perturbaciones.
Finalmente, se presenta la versatilidad que tiene EJS como herramienta de simulación,
se explica cada uno de sus componentes, destacando su solver de ecuaciones
diferenciales en tiempo real y su capacidad de resolver sistemas MIMO no lineales;
además, se muestra el ejemplo de un servidor que permiten la interacción de EJS con
Matlab, lo cual dio pistas para conseguir el servidor que comunica EJS con LabView que
son las herramientas de software claves para este trabajo de maestría.
En el próximo capítulo se explicará de manera detallada el desarrollo de las simulaciones
HIL que competen a este trabajo, el proceso de esterilización por vapor de agua y el
tanque de reacción con agitación continua.
3. Desarrollo de las simulaciones
En el presente capítulo, se describe de manera detallada el desarrollo de las
simulaciones HIL, se explicará en qué consiste tanto el proceso de esterilización por
vapor de agua como el proceso del tanque de reacción con agitación continua y los
objetivos de control en cada uno. Por otra parte, se presenta la arquitectura desarrollada
para el enlace entre el PLC (componente real) y las plantas simuladas en EJS
(componente virtual), los cuales configuran la simulación HIL y finalmente se describen
los mímicos e interfaz de usuario de cada simulación.
3.1 Simulación del proceso de esterilización por vapor de agua
3.1.1 Descripción del proceso
Se conoce como esterilización al proceso por medio del cual todas las formas de vida de
los microbios (bacterias, esporas, hongos y virus) contenidos en líquidos, en
instrumentos y en utensilios, son completamente destruidos. Para esto, uno de los
medios más confiables es el calor húmedo de vapor saturado bajo presión; debido a que
los dos factores con mayor poder destructor de los microbios son la humedad y el calor.
Un esterilizador está compuesto por siete partes fundamentales que interactúan de la
siguiente manera: un condensador; en el cual se condensa el vapor de agua acumulado
al finalizar un proceso de esterilización, una bomba eléctrica; que permite el flujo del
agua almacenada en el condensador hacia el depósito de agua del esterilizador,
depósito de agua; el cual contiene el agua a ser evaporada durante el proceso de
esterilización, cámara; lugar donde se colocan los elementos que se van a esterilizar,
capa resistiva; conformada por distintas resistencias eléctricas que disiparán calor y por
ende aumentarán la temperatura interna de la cámara, produciendo la evaporación del
30 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
agua contenida en el depósito, puerta; la cual aísla al usuario de las altas temperaturas
internas del esterilizador, válvula de alivio; la cual permitirá el paso hacia el
condensador del vapor de agua acumulado durante un proceso de esterilización.
En la Figura 3-1 se presente un ejemplo de un esquema básico de un esterilizador.
Figura 3-1: Ejemplo de un esquema de un esterilizador (27).
3.1.2 Arquitectura del simulador
Como se mencionó en capítulos anteriores la herramienta utilizada para simular en un
computador es EJS, en el cual en su sección “modelo”se insertan las ecuaciones
diferenciales que describen el dinamismo de la planta, estas son resueltas en el tiempo
por el mismo EJS. Pero aparece el reto de entrelazar las variables del proceso (discretas
y análogas) con los periféricos de entrada y salida del PLC, para ello es necesario el uso
de una tarjeta de adquisición de datos (DAQ) que se encargan de recibir las variables del
proceso y enviarlas en forma de voltaje a las entradas del PLC, de igual forma hacer el
trabajo contrario, recibir la señales de control del PLC en señales de voltaje y enviarlas
al proceso simulado es decir, la DAQ funciona como periférico del proceso.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 31
La DAQ utilizada es la NI DAQ 6008 de National Instruments, ésta cuenta con doce
terminales de señales digitales (5 VDC) que se pueden programar como entrada o como
salida e internamente tienen lógica transistor-transistor (TTL), también cuenta con una
entrada de conteo rápido. También tiene ocho entradas análogas (0-5 VDC) y salidas
análogas (0-10 VDC), las variables de esta tarjeta se programan a través del software
LabView, en la Figura 3-2 se muestran los periféricos de entrada y salida de la NI DAQ
6008(28).
Figura 3-2: Periféricos de entradas y salidas de la NI DAQ 6008(28).
Para lograr la asociación entre las variables de LabView y las variables del proceso
simulado en EJS se usa el servidor JilServerel cual asocia el archivo de la simulación en
EJS con el archivo de LabView y en tiempo real actualiza una variable en EJS si su
variable asociada en LabView varía y viceversa. Durante la evolución de la simulación el
JilServer debe estar abierto, en la Figura 3-3 se muestra la interfaz del JilServer.
32 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
Figura 3-3: Interfaz del JilServer.
En cuanto al enlace físico con el PLC se requirieron implementar unas tarjetas de
potencia que permitieran convertir los 24 VDC de las entradas y salidas digitales del PLC
(tensión universal de los PLC´s) a los 5 VDC de las entradas y salidas digitales de la
DAQ y viceversa. El circuito de potencia para las entradas digitales del PLC consta de
ocho relés de 5VDC que son activados con las salidas digitales de la DAQ, por medio del
integrado ULN2003A, el cual es un arreglo de transistores npn que convierten las señales
TTL a señales de potencia para los relés, luego a través de los contacto NO (Normally
Open) de los relés se energizan a 24 VDC las entradas digitales del PLC. En la Figura 3-
4 se presenta el esquema circuital de la tarjeta de potencia para las entradas digitales del
PLC y en la Figura 3-5 se muestra la tarjeta implementada.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 33
Figura 3-4: Esquema circuital de la tarjeta de potencia para las entradas digitales del
PLC.
.
Figura 3-5: Tarjeta de potencia para entradas digitales del PLC.
34 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
Para convertir los 24 VDC de las salidas digitales del PLC a 5 VDC para las entradas
digitales de la DAQ se implementó un circuito de potencia, el cual consta de ocho opto-
acopladores 4N25, con el fin de no limitar la velocidad de respuesta de los PLC que
tuvieran salida a transistor. En la Figura 3-6 se presenta el esquema circuital de la tarjeta
de potencia para las salidas digitales del PLC y en la Figura 3-7 se muestra la tarjeta
implementada.
Figura 3-6: Esquema circuital de la tarjeta de potencia para las salidas digitales del
PLC.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 35
Figura 3-7: Tarjeta de potencia para salidas digitales del PLC.
El proceso de esterilización por vapor de agua cuenta con una variable análoga
(temperatura), esta llega en señal de voltaje (0-5 V) a una entrada análoga del PLC, para
esta señal no se requiere circuito de potencia. Además, cabe destacar que se requirió
usar dos DAQ´s para la cantidad de variables del proceso, una para las entradas y otras
para las salidas del PLC. Por otra parte, en cuanto a la simulación corre en EJS al igual
que el mímico e interfaz del usuario, diseñados en la sección “vista”. En la figura 3-8 se
muestra el esquema de la arquitectura HIL para la simulación del proceso de
esterilización por vapor de agua.
36 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
Figura 3-8: Arquitectura HIL del simulador del proceso de esterilización por vapor de
agua.
3.1.3 Modelo matemático
Para entender el modelo matemático que describe el dinamismo del proceso es
importante conocer la forma de operación del esterilizador clínico. Primero el usuario
debe seleccionar el tipo de material a esterilizar, dependiendo del material variará el
tiempo de esterilización, una vez seleccionado el tipo de material e introducido este en la
cámara del esterilizador puede iniciar el proceso, asegurándose que la puerta del
esterilizador esté bien cerrada por temas de seguridad en aislamiento térmico.
El proceso inicia llenando el depósito de agua del esterilizador mediante una bomba
eléctrica, se asume que el agua en un principio se encuentra almacenada en el
condensador del esterilizador. Una vez que el nivel del agua llegue al tope del depósito,
se encienden la capa resistiva del esterilizador la cual disipa calor, con esto inicia el
proceso de calentamiento, durante este proceso se empieza a generar vapor proveniente
del agua del depósito.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 37
Una vez la temperatura en la cámara del esterilizador alcanza una temperatura de 136°C
inicia propiamente el tiempo de esterilización. Como se mencionó anteriormente este
tiempo depende del material que se esté esterilizando, durante este tiempo se debe
mantener la temperatura oscilando entre 134°C y 136°C (apagando y encendiendo la
resistencia). Una vez cumplido el tiempo de esterilización se abre la válvula de alivio, la
cual permite la liberación del vapor de agua contenido en la cámara del esterilizador y
permite un enfriado rápido para poder retirar los materiales esterilizados. El vapor de
agua retorna al condensador y así poder recuperar agua para un nuevo proceso de
esterilización.
Los fenómenos físicos involucrados en el proceso de esterilización por vapor de agua
son:
Aumento de temperatura en el interior de la cámara del esterilizador; esto ocurre
cuando está encendida la capa resistiva que calienta el interior de la cámara.
Disminución de temperatura en el interior de la cámara del esterilizador; ésta
ocurre cuando se apaga la capa resistiva que caliente el interior de la cámara o
cuando se abre la válvula de alivio.
Aumento de nivel en el depósito de agua del esterilizador; esto ocurre cuando
está encendida la bomba de llenado.
Disminución de nivel en el depósito de agua del esterilizador; esto ocurre cuando
la temperatura en el interior de la cámara del esterilizador supera los 90°C, en el
cual empieza el proceso de evaporización del agua del depósito.
Cada fenómeno físico descrito anteriormente se simuló con ecuaciones de primer orden
con razones de tiempo que fueron ajustados a fines prácticos, es decir, como el objetivo
de este proceso es realizar prácticas de control lógico, lo que interesa es que los
estudiantes verifiquen su programación de lógica secuencial en un tiempo corto. Por tal
razón, es conveniente que el dinamismo del proceso debe desarrollarse de forma
acelerada en comparación a la realidad. Ante esto, se desprecian factores externos a la
cámara del esterilizador, se desprecian las constantes de aislamiento térmico y las
pérdidas de calor. En cuanto a las razones de tiempo, estas fueron determinadas
mediante procedimientos de ensayo y error que permitieron medir y encontrar un
38 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
valoracorde de la simulación para fines académicos. Estas ecuaciones son introducidas
en la sección “modelo” de EJSy sus variables son de tipo Real.
El aumento de temperatura en el interior de la cámara del esterilizador se describe en la
ecuación (3.1).
𝑑𝑇𝐶
𝑑𝑡=
Tmáx − TC
120
(3.1)
Donde,
𝑇𝑚á𝑥 = 200 °C ; valor máximo de temperatura en el interior de la cámara.
𝑇𝐶=valor variable de la temperatura en el interior de la cámara durante aumento, en °C
120 es la constante de tiempo; esta constante se determinó mediante ensayo, de tal
forma que se garanticen tiempos de simulación acordes a la necesidad académica.
La disminución de temperatura en el interior de la cámara del esterilizador se describe en
la ecuación (3.2).
𝑑𝑇𝑑
𝑑𝑡= − (
Tmín − Td
120 − Rv)
(3.2)
Donde,
Tmín = 18 °C ; Valor mínimo de temperatura en el interior de la cámara (temperatura
ambiente).
𝑇𝑑 =valor variable de la temperatura en el interior de la cámara durante disminución, en
°C.
120 es la constante de tiempo; esta constante se determinó mediante ensayo, de tal
forma que se garanticen tiempos de simulación acordes a la necesidad académica.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 39
𝑅𝑣; Constante de enfriamiento, toma valor 90 cuando la válvula de alivio está abierta y
toma valor nulo cuando la válvula de alivio está cerrada.
En las ecuaciones (3.1 y 3.2) se observa que el modelo cuenta con dos ecuaciones que
rigen el comportamiento de la temperatura interna en la cámara del esterilizador. Por lo
cual, mediante programación (desarrolladas en EJS) se condiciona el modelo indicando
que; cuando la resistencia está encendida la temperatura T del esterilizador es igual a la
temperatura 𝑇𝐶(calentamiento), mientras que cuando la resistencia está apagada la
temperatura T del esterilizador es igual a la temperatura 𝑇𝑑(enfriamiento). Dicha
temperatura T es la variable a medir y controlar en un rango adecuado durante un tiempo
que varía según el material a esterilizar.
El cambio de nivel en el depósito de agua está dado por la ecuación (3.3).
𝑑ℎ
𝑑𝑡=
q1 − q2
600
(3.3)
Donde,
ℎ; Nivel en el tanque.
𝑞1 = 7 𝐿/𝑚𝑖𝑛 ; caudal de entrada
𝑞2 ; razón de evaporación del agua, toma valor 1 cuando la temperatura en la cámara es
mayor o igual 90 °C, de lo contrario su valor 0.
600 es la constante de tiempo, esta constante se determinó mediante ensayo, de tal
forma que se garanticen tiempos de simulación acordes a la necesidad académica.
40 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
La ecuación (3.3) tiene un carácter condicionante en el proceso, dado que si la cantidad
de agua en el tanque de depósito se llega a evaporar o desbordar se dañaría el proceso
de esterilización.
3.1.4 Interfaz gráfica
Mediante la sección “vista” de EJS se desarrolla el mímico del proceso, en el cual el
estudiante puede observar en tiempo real la secuencia de operación del esterilizador,
dicha secuencia que fue previamente programada en el PLC por el estudiante. El mímico
cuenta con una serie de botones que el estudiante puede accionar para enviar señales a
las entradas digitales del PLC, además presenta un conjunto símbolos que indican el
estado de sensores y actuadores todo-nada de la planta. Todos estos elementos
representan una variable de tipo Boolean y son programados en la sección “modelo”en
EJS, dichas variables son relacionadas con los efectos de visualización programados en
la sección “vista”.
A continuación en la Figura 3-9 se presenta la interfaz gráfica del proceso de
esterilización por vapor de agua y seguidamente en la Tabla 3-1 se explica de manera
detallada las partes del mímico.
Figura 3-9: Interfaz gráfica del proceso de esterilización por vapor de agua.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 41
Tabla 3-1:Descripción de los elementos de la interfaz gráfica del proceso de
esterilización por vapor de agua.
Número de
elemento Descripción
1 Representa el condensador del vapor de agua, se asume que está siempre
lleno al iniciar el proceso
2 Bomba de llenado del depósito de agua del esterilizador
3 Depósito de agua del esterilizador
4 Capa resistiva, al encenderse calienta el interior del esterilizador para producir
el vapor de agua
5 Cámara del esterilizador, en ella se colocan los elementos a esterilizar
6 Switch para el cierre y apertura de la puerta del esterilizador. Internamente hay
un electroimán que asegura la puerta durante el proceso de esterilización
7 Válvula de alivio de acción todo-nada, se activa para liberar el vapor interno en
el esterilizador
8 Switches de nivel máximo (LS-H) y mínimo (LS-L) del depósito de agua del
esterilizador
9
Switches de nivel máximo (TS-H) y mínimo (TS-L) de temperatura en el
interior de la cámara del esterilizador. El nivel máximo corresponde a 136°C y
el nivel mínimo corresponde a 134°C
10
Panel de botones y luces pilotos, con esta el usuario puede seleccionar el tipo
de material a esterilizar (Lab Coat, Glass y Liquids) con el pulsador Mode,
puede iniciar o parar el proceso con los pulsadores Start y Stop
11
Barra indicadora del valor de temperatura en el interior de la cámara del
esterilizador y su valor equivalente en voltaje que entra a la entrada análoga
del PLC. Los botontes Connect y Desconnect permiten al usuario conectar o
desconectar la simulación al PLC
12 Pantalla indicadora del estado del esterilizador, señaliza las posibles fallas que
puedan presentarse por error de programación en el PLC
13
El botón Description and Practice le permite al usuario abrir una ventana en
donde encontrará la descripción detallada del proceso y la guía práctica del
simulador HIL indicando conexiones y objetivos de control
42 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
3.1.5 Objetivos de control
El control a aplicar en el proceso de esterilización por vapor de agua es de tipo lógico-
secuencial, donde el estudiante debe desarrollar la programación Ladder del PLC para
enviar las órdenes de control a la planta simulada. En la Tabla 3-2 se presenta el listado
de las variables del proceso con su respectiva descripción y en las Figuras 3-10, 3-11 y
3-12 se presenta la correspondencia de cada variable con los periféricos de entrada y
salida de la DAQ y a qué periféricos de entrada y salida se conectan al PLC. Cabe
destacar que las direcciones de entradas y salidas indicadas del controlador
corresponden al PLC Siemens 314, usado para el desarrollo de la implementación, sin
embargo, el simulador HIL se adapta a cualquier referencia de PLC y el estudiante es
libre de asignar las direcciones de entradas y salidas que convengan a su lógica de
programación del PLC.
Tabla 3-2:Descripción de las variables del proceso de esterilización por vapor de agua.
Variable Descripción
Botón “Start” Botón normalmente abierto que permite el arranque del proceso
Botón “Stop” Botón normalmente abierto que permite la parada del proceso
Botón “Mode” Botón normalmente abierto que permite la selección del tipo de material a esterilizar
Switch “LS-L” Switch de nivel bajo del depósito de agua
Switch “LS-H” Switch de nivel alto del depósito de agua
Switch “TS-L” Switch de temperatura bajo, se activa con temperatura ≥ 134 °C
Switch “TS-H” Switch de temperatura alto, se activa con temperatura ≥ 136 °C
Sensor puerta Se activa cuando la puerta está cerrada
Señal análoga Señal de temperatura convertida en voltaje
Luz piloto “ON” Señal que indica el estado activo del proceso
Electro Imán Activa el mecanismo que impide la apertura de la puerta
Luz piloto “Lab Coat” Señal que indica que se va a esterilizar materiales de tela
Luz piloto “Glass” Señal que indica que se va a esterilizar materiales de vidrio
Luz piloto “Liquids” Señal que indica que se va a esterilizar líquidos
Bomba Bomba para llenar el depósito de agua
Válvula de alivio Válvula ON-OFF normalmente cerrada, para el alivio del vapor de agua acumulado
Resistencia Resistencia que disipa calor para el aumento de temperatura de la cámara
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 43
Figura 3-10: Esquema de conexiones y direcciones para botones, sensores y switches
del esterilizador.
Figura 3-11: Esquema de conexiones y direcciones para actuadores y luces pilotos del
esterilizador.
44 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
Figura 3-12: Esquema de conexiones y direcciones para señal análoga de la
temperatura del esterilizador.
Como objetivo fundamental del proceso es esterilizar materiales sometiéndolos a
temperaturas entre 134°C y 136°C, durante unos tiempos establecidos según el material a
esterilizar:
Lab coat: corresponde a materiales de tela, el tiempo de esterilización es de 30
segundos.
Glass: corresponde a materiales de vidrio, el tiempo de esterilización es de 60
segundos.
Liquids: corresponde a líquidos, el tiempo de esterilización es de 90 segundos.
Cabe destacar que en la realidad los tiempos de esterilización están en el orden de los
20 a 30 minutos, pero para fines prácticos se establecieron tiempos en el orden de los
segundos. Durante el calentamiento aparecerá una ventana en la simulación, en donde el
estudiante observará el comportamiento de la temperatura en el tiempo, tal como se
muestra en la Figura 3-13 para cada tipo de material a esterilizar.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 45
Figura 3-13: Control ON-OFF de temperatura del esterilizador para cada tipo de material.
Previo al momento de esterilización, el proceso debe pasar por unas etapas lógicas en
donde se seleccione el material a esterilizar, asegurar la puerta del esterilizador por
seguridad, arrancar el proceso, llenar el depósito de agua. Posteriormente, cumplido el
tiempo esterilización se debe liberar el vapor acumulado en el interior de la cámara y
permitir la apertura de la puerta una vez que la temperatura interna sea segura para el
usuario. En la Figura 3-14 se presenta el diagrama de flujo del proceso de esterilización
por vapor de agua.
46 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
Figura 3-14: Diagrama de flujo del proceso de esterilización por vapor de agua.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 47
Para el control de temperatura se tienen dos formas, la primera es mediante las señales
de los switches “TS-L” (se activa cuando la temperatura ≥ 134°C) y “TS-H” (se activa
cuando la temperatura es ≥ 136°C), con el uso de estas señales lógicas se puede
determinar cuándo encender o apagar la resistencia según sea el caso. La segunda
forma es midiendo la señal análoga que representa la variación de la temperatura (0-
200°C equivalen a 0-5 V), dicha variable análoga se introducen en bloques de
comparación para determinar cuándo el proceso se encuentra entre el rango de 134°C y
136°C. En los Anexos A y B se encuentran la programación Ladder respectivamente a
cada caso.
Por otra parte, en el desarrollo de esta simulación se tomaron en cuenta los posibles
errores que se pueden cometer en la programación del PLC y de qué manera pueden
afectar al proceso. Por ello en el mímico se le indica al usuario el estado del esterilizador
(elemento número trece de la Tabla 3-1), a continuación se explican cada de uno de los
posibles estados indicadores que pueden aparecer:
Good: correcto funcionamiento, se están cumpliendo los objetivos de control.
Tank Empty: tanque vacío con la resistencia encendida.
Overflow: desborde del depósito de agua.
Door Open: puerta abierta y temperatura ≥ 25 °C.
Temp>140: se superóel nivel máximo permitido de temperatura.
En el disco anexo al documento se encuentra el ejecutable de la simulación“Sterilizer.jar”
(anexo J), con el cual los estudiantes puede desarrollar práctica del proceso de
esterilización por vapor de agua, siguiendo las indicaciones de la “Guía práctica” que
pueden abrir con el botón “Description and Practice”. Con esta práctica se espera que los
estudiantes refuercen sus conocimientos y habilidades en control lógico secuencial, dado
que el proceso los expone a distintas condiciones lógicas y de seguridad que deben
tomar en cuenta para el correcto funcionamiento del esterilizador, tal como ocurriría en
un caso real de industria.
48 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
3.2 Simulación de un tanque de reacción con agitación continua
3.2.1 Descripción del proceso
Un tanque de reacción con agitación continua (TRAC) es utilizado en la fabricación de
productos químicos de una cierta concentración. A medida que el producto va ingresando
al tanque (alimentación), este es sometido a una agitación continua en el interior del
tanque, generando una reacción que produce un aumento en la temperatura del
producto, lo cual modifica la concentración del mismo (reacción exotérmica). El cambio
de temperatura es controlado por medio del paso de refrigerante a través de una
chaqueta que cubre el tanque.
Este tipo de reactores químicos tienen una serie de ventajas que los hacen idóneos para
la industria como: su operación continua, fácil control de la temperatura, construcción
simple, bajo costo de operación y fácil de limpiar. En la Figura 3-15 se muestra el
esquema del TRAC, en donde en su parte superior ingresa la materia prima con un
caudal F, una concentración inicial 𝐶𝐴𝑖 y una temperatura inicial 𝑇𝑖; a medida que ingresa
la materia prima en el tanque esta es sometida a una agitación continua (mecanismo
motor-agitador) y se va originando un aumento de temperatura y por ende aumento de
concentración en el producto. Para controlar la temperatura del producto se ingresa un
componente refrigerante por la chaqueta del TRAC con un caudal 𝐹𝐶 y una temperatura
𝑇𝐶𝑖.
El objetivo de este proceso es obtener una cantidad de producto F controlado por la
válvula FV, con una concentración 𝐶𝐴 y una temperatura T controlada por la válvula de
paso de refrigerante TV.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 49
Figura 3-15: Esquema del tanque de reacción con agitación continua.
3.2.2 Arquitectura del simulador
El simulador del TRAC tiene una arquitectura similar al del proceso de esterilización por
vapor de agua, en donde se tiene una combinación de elementos de hardware y software
que permiten comunicar en tiempo real el modelo del proceso (corriendo en EJS) con el
PLC. Sin embargo, la arquitectura para el simulador del TRAC tiene unas características
que lo hacen más simple que el del esterilizador, las cuales se describen a continuación:
El simulador del TRAC no requiere tarjetas de potencia dado que el proceso no
maneja señales digitales, únicamente análogas, las cuales no requieren de un
procesamiento especial. Por esta razón la interacción entre el PLC y la DAQ se
hace forma directa.
El simulador TRAC solo requiere de una DAQ dado que tiene la cantidad de
entradas y salidas análogas necesarias para recibir las señales análogas de
control del PLC y para enviar las señales de las salidas de los transmisores del
proceso (estas señales serán descritas en la próxima sección).
En el simulador TRAC la herramienta EJS solo cumple la función de simular en
tiempo real el modelo matemático del proceso, pero el mímico en este caso es
50 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
elaborado en LabView, dado que el proceso requiere almacenar una gran
cantidad de datos para graficar en tiempo real y de forma continua las variables
del proceso. Dicho almacenamiento de datos supera la capacidad de EJS, pero
LabView si cuenta con la capacidad necesaria, además posee herramientas para
el desarrollo del mímico del proceso.
Nota: para poder observar durante la simulación el mímico desarrollado en LabView, es
necesario que en la interfaz del JilServer se active la casilla “Open Front Panel”.
En la Figura 3-16 se presenta la arquitectura HIL del simulador del TRAC.
Figura 3-16: Esquema HIL del simulador del tanque de reacción con agitación continua.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 51
3.2.3 Modelo matemático
En este punto se explicará el modelo matemático que describe el dinamismo del proceso
de TRAC (descrito en la sección 3.2.1). El modelo matemático de este proceso no solo
comprende el dinamismo del reactor, sino también incluye el comportamiento de los
transmisores y elementos finales de los lazos de control del proceso. Por ello, primero se
procederá a explicar el P&ID (Diagrama de Instrumentación y Tuberías) que se muestra
en la Figura 3-17.
Figura 3-17: P&ID del sistema de control de tanque de reacción con agitación continua.
Se observa que el sistema de control tiene dos lazos de control, el lazo 100 se encarga
de controlar la temperatura del producto mediante la manipulación de la válvula TV-
100con el fin de regular el paso de refrigerante a la chaqueta del tanque. El lazo 101 se
encarga de controlar el caudal del producto manipulando la válvula FV-101, ambas
válvulas tiene acción ATC (Aire Para Cerrar).
Para la medición y transmisión de las variables de proceso se tiene el transmisor TT-100
para medir y transmitir la temperatura, mientras que para la medición del caudal se tiene
el transmisor FT-101. Estos transmisores envían la medición en tiempo real a sus
52 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
respectivos controladores, TRC-100 para el control de temperatura y FRC-101 para el
control de caudal; estos controladores son los componentes reales del simulador HIL
(PLC´s).Otros elementos que aparecen en el P&ID son los convertidores corriente-
presión TY-100 para el lazo de temperatura y FY-101 para el lazo de caudal, sin embargo
para efectos de esta simulación solo están representados en el plano mas no se simulan.
Una vez conocidos los elementos del sistema de control del TRAC, se dará a conocer las
variables y parámetros del sistema en la Tabla 3-3 y se describirá detalladamente las
ecuaciones del sistema que son resueltas computacionalmente en tiempo real con EJS.
El modelo descrito fue tomado del libro “Control automático de procesos” de C. Smith y
A. Corripio, con la diferencia que se le adicionó el lazo de caudal.
Tabla 3-3: Variables y parámetros del sistema del tanque de reacción con agitación
continua.
Variable Descripción Valor Unidad
𝐶𝐴 Concentración del reactivo
en el reactor Variable
𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙
𝑚3
𝐶𝐴𝑖 Concentración del reactivo
en la alimentación
2.88
𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙
𝑚3
𝑇 Temperatura en el reactor Variable ⁰C
𝑇𝑖 Temperatura de la
alimentación 66 ⁰C
𝑇𝑐 Temperatura de la chaqueta Variable ⁰C
𝑇𝑐𝑖 Temperatura de entrada del
refrigerante 27 ⁰C
𝑏 Señal del transmisor de
temperatura Variable entre 0 y 100 %
𝑐 Señal del transmisor de
caudal Variable entre 0 y 100 %
𝑉 Volumen del reactor 7.08
𝑚3
𝐹 Caudal en la salida del
reactor Variable
𝐿
𝑆
𝑘 Coeficiente de razón de
reacción Variable
𝑚3
𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙. 𝑠
∆𝐻𝑅 Calor de la reacción
−9.86𝑥107
𝐽
𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙
𝜌 Densidad del contenido del
reactor
19.2
𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙
𝑚3
𝐶𝜌 Capacidad calorífica de los
reactivos
1.815
𝐽
𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙. 𝐶
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 53
Tabla 3-3: Variables y parámetros del sistema del tanque de reacción con agitación
continua (continuación).
Variable Descripción Valor Unidad
𝑈
Coeficiente de transferencia total de
calor
3550
𝐽
𝑠. 𝑚2. 𝐶
𝐴 Área de transferencia
de calor 5.4
𝑚2
𝑉𝑐 Volumen de la chaqueta 1.82
𝑚3
𝜌𝑐 Densidad del refrigerante
1000 𝑘𝑔
𝑚3
𝐶𝜌𝑐 Calor específico del
refrigerante 4184
𝐽
𝑘𝑔. 𝐶
𝐹𝑐 Razón de caudal del
refrigerante Variable
𝐿
𝑠
𝐹𝑖 Caudal de alimentación
del reactor Variable
𝐿
𝑠
𝜏𝑓 Constante de tiempo de la variación de caudal
566.46
𝑠
𝑘0 Parámetro de
frecuencia de Arrhenius 0.0744
𝑚3
𝑠. 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙
𝐸 Energía de activación
de la reacción
1.182𝑥107
𝐽
𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙
𝑅 Constante de la ley de
gases ideales 8314.39
𝐽
𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙. 𝐾
𝑇𝑀 Límite inferior del rango
del transmisor de temperatura
80
⁰C
𝜏𝑇 Constante de tiempo
del transmisor de temperatura
20
𝑠
∆𝑇𝜏 Rango calibrado del
transmisor de temperatura
20
⁰C
𝐹𝑐𝑚á𝑥 Caudal máximo a través de la válvula de control
de temperatura 2
𝐿
𝑠
𝛼𝑐 Parámetro de ajuste en rango de la válvula de control de temperatura
50
Adimensional
𝑚𝑐 Señal de salida del
controlador de temperatura
Variable entre 0 y 1
Adimensional
𝐹𝑀 Límite inferior del rango
del transmisor de caudal
5
𝐿
𝑆
𝜏𝐹 Constante de tiempo
del transmisor de caudal
20
𝑠
54 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
Tabla 3-3: Variables y parámetros del sistema del tanque de reacción con agitación
continua (continuación).
Variable Descripción Valor Unidad
∆𝐹𝜏 Rango calibrado del transmisor de caudal
5
𝐿
𝑆
𝐹𝑖𝑚á𝑥 Caudal máximo a
través de la válvula de control de caudal
12
𝐿
𝑠
𝛼𝑖
Parámetro de ajuste en rango de la
válvula de control de caudal
50
Adimensional
𝑚𝑖 Señal de salida del
controlador de caudal
Variable entre 0 y 1
Adimensional
A continuación se presentan las ecuaciones que describen la dinámica del sistema, cabe
destacar que para este modelo se supone que el reactor y la chaqueta están combinados
perfectamente, que los volúmenes y las propiedades físicas son constantes y que las
pérdidas de calor se desprecian:
Concentración del reactivo en el reactor
𝑑𝐶𝐴
𝑑𝑡=
𝐹
𝑉(𝐶𝐴𝑖 − 𝐶𝐴) − 𝑘𝐶𝐴
2
(3.4)
Representa el cambio de concentración del producto final en el tiempo, se observa que la
cantidad de caudal del producto afecta de manera directa y proporcional a la
concentración del producto. Esto último da evidencia que es indispensable controlar el
caudal de entrada para obtener cierto producto a una concentración establecida.
Temperatura en el interior del reactor
𝑑𝑇
𝑑𝑡=
𝐹
𝑉(𝑇𝑖 − 𝑇) −
∆𝐻𝑅
𝜌𝐶𝜌𝑘𝐶𝐴
2 −𝑈𝐴
𝑉𝜌𝐶𝜌(𝑇 − 𝑇𝑐)
(3.5)
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 55
Representa el cambio de temperatura en el interior del tanque de reacción, es decir, la
temperatura del producto, se observa que el caudal del producto afecta de manera
directa y proporcional a la temperatura del producto. Por otra parte, la temperatura en la
chaqueta del reactor 𝑇𝑐 afecta de manera inversa y proporcional a la temperatura
del producto. Por lo cual, es importante controlar las variables F y 𝑇𝑐 para obtener
la temperatura de producto requerida.
Temperatura en la chaqueta del reactor
𝑑𝑇𝑐
𝑑𝑡=
𝑈𝐴
𝑉𝑐𝜌𝑐𝐶𝜌𝑐(𝑇 − 𝑇𝑐) −
𝐹𝑐
𝑉𝐶(𝑇𝑐 − 𝑇𝑐𝑖)
(3.6)
En la ecuación (3.5) se observa que se debe controlar la temperatura en la chaqueta del
reactor 𝑇𝑐 , para ello se debe manipular la válvula que permite el paso de caudal de
refrigerante 𝐹𝑐 como se observa en la ecuación (3.6). Es decir, a medida que aumente la
cantidad de refrigerante menor será la temperatura 𝑇𝑐 y por ende la temperatura del
producto T.
Caudal del producto
𝑑𝐹
𝑑𝑡=
𝐹𝑖 − 𝐹
𝜏𝑓
(3.7)
Representa la cantidad de caudal del producto, el caudal que entra es igual al caudal que
sale, por ello se puede controlar el caudal del producto tanto en la entrada como en la
salida del reactor.
56 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
Coeficiente de razón de reacción
𝑘 = 𝑘0𝑒−
𝐸
𝑅(𝑇+273.16)
(3.8)
El coeficiente de razón de reacción influye de manera directa en la concentración del
producto𝐶𝐴 y a su temperatura T, a su vez, esta temperatura también tiene incidencia
sobre el coeficiente de razón de reacción.
Transmisor de temperatura (TT-100)
𝑑𝑏
𝑑𝑡=
1
𝜏𝑇(𝑇 − 𝑇𝑀
∆𝑇𝜏− 𝑏)
(3.9)
El transmisor TT-100 mide el valor de temperatura del producto entre un rango de 80
⁰C y 100 ⁰C .
Caudal del salida de la válvula de control de temperatura (TV-100)
𝐹𝑐 = 𝐹𝑐𝑚á𝑥𝛼𝑐−𝑚𝑐
(3.10)
Esta ecuación representa el comportamiento de la válvula de control de temperatura TV-
100 a medida que recibe la señal 𝑚𝑐 proveniente del controlador TRC-100.
Transmisor de caudal (FT-101)
𝑑𝑐
𝑑𝑡=
1
𝜏𝐹(𝐹 − 𝐹𝑀
∆𝐹𝜏− 𝑐)
(3.11)
El transmisor FT-101 mide el valor del caudal del producto entre un rango de 5 L/s
y 10 𝐿/𝑠 .
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 57
Válvula de caudal (FV-101)
𝐹𝑖 = 𝐹𝑖𝑚á𝑥𝛼𝑖−𝑚𝑖
(3.12)
Esta ecuación representa el comportamiento de la válvula de control de caudalFV-101 a
medida que recibe la señal 𝑚𝑖 proveniente del controlador FRC-101.
3.2.4 Interfaz gráfica
Se desarrolló una interfaz gráfica que permitiera a los estudiantes observar en tiempo
real el estado del proceso y poder manipular las gráficas de comportamiento, con el fin
que puedan obtener las variables requeridas para el cálculo de los parámetros del
controlador. Como se explicó anteriormente, para el proceso del TRAC la interfaz gráfica
fue desarrollada en LabVIEW, dado que este software soporta el almacenamiento de
datos que requiere el sistema. Esta interfaz gráfica interactúa en tiempo real con el
modelo simulado en EJS y el PLC, como se explicó en la sección de arquitectura del
simulador.
Para iniciar la simulación el estudiante debe ejecutar el archivo TRAC.jar, una vez hecho
esto le aparecerá un panel de inicio como se muestra en la Figura 3-18.
Figura 3-18: Panel de inicio de la simulación del TRAC.
58 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
En dicho panel el estudiante tiene varias opciones, la primero es descripción, con la cual
se abre una ventana en donde se describe detalladamente el proceso del TRAC y la
práctica que debe desarrollar. Luego tiene la opción abrir, la cual abre la interfaz gráfica
desarrollada en LabVIEW, pero para ello debe iniciar el JilSERVER activando la casilla
“open front panel” y luego presionar “start” como se muestra en la Figura 3-19.
Figura 3-19: Configuración del JilSERVER para el proceso del TRAC.
Una vez realizado esto se abrirá el mímico del proceso desarrollado en LabVIEW como
se muestra en la Figura 3-20.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 59
Figura 3-20: Interfaz gráfica del TRAC.
El mímico le permite el estudiante observar en tiempo real el valor de que arroja cada
instrumento de P&ID, expresado de la siguiente manera:
Salida del transmisor de temperatura TT-100 en %.
Salida del controlador de temperatura (PLC) TRC-100 en %.
Caudal de refrigerante que pasa a través de la válvula de temperatura TV-100 en
L/s.
Apertura de la válvula de temperatura TV-100 en %.
Salida del transmisor de caudalFT-101 en %.
Salida del controlador de caudal (PLC) FRC-101 en %.
Caudal de alimentación que pasa a través de la válvula de caudalFV-101 en L/s.
Apertura de la válvula de caudalFV-101 en %.
Temperatura en la chaqueta en °C.
Caudal del producto en L/s.
Temperatura del producto en °C.
Concentración del producto en 𝐾𝑔𝑚𝑜𝑙
𝑚3⁄ .
60 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
Adicionalmente, el estudiante puede generar perturbaciones en cada lazo del proceso
presionando los botones “Perturbación”(estas serán explicadas de forma detallada en la
siguiente sección). Por otra parte, el estudiante puede desplazar la visual del mímico
para ver las gráficas de las salidas de los controladores (TRC-100 y FRC-101) y el
comportamiento de las variables de proceso (temperatura y caudal del producto), las
cuales se mostrarán en la siguiente sección.
El panel de inicio también cuenta con las opciones iniciar, la cual permite el arranque de
la simulación, parar, permite congelar la simulación en su último estado, esto ayuda al
estudiante a tomar nota de datos numéricos o gráficos que requiera. Por último, la opción
cerrar como su nombre lo indica cierra la simulación y además desconecta la planta del
controlador.
3.2.5 Objetivos de control
Como ya se ha mencionado para el proceso del TRAC el tipo de control a aplicar es el
regulatorio, para este caso el tipo de acción seleccionado es el PI (Proporcional-Integral),
esto permite mantener el sistema estable en estado estacionario y eliminar el error en
régimen permanente. En términos de un sistema de reacción química, es indispensable
que se produzca un producto a una temperatura, reacción y cantidad deseada de la
forma más exacta posible (producción estable y sin error).
Como objetivos se establece un punto de operación para el cual el sistema debe
estabilizarse, en la Tabla 3-3 se indica el punto de operación del sistema. Estos valores
serán la base para la determinación experimental de los parámetros del control PI.
Tabla 3-4:Puntos de operación del proceso del TRAC.
Variable Valor Unidad
𝐹 7,5 𝐿
𝑠
𝑇 88
⁰C
Bajo estos valores se obtendrá un producto de concentración 1,133 𝐾𝑔𝑚𝑜𝑙
𝑚3⁄ .
Para proceder a determinar los parámetros del controlador que permita estabilizar el
sistema en sus puntos de operación, es importante determinar el tipo de acción del
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 61
controlador (inversa o directa). A continuación se describe el análisis para determinar el
tipo de acción:
Se comenzará analizando el lazo de control de temperatura (100), se sabe que la
válvula de control TV-100 es de acción ATC (aire para cerrar), es decir, a medida
que aumente la señal de control menor será el paso de refrigerante.
Ahora supongamos que la variable de proceso supere el valor deseado, es decir,
la temperatura del producto supere los 88 ⁰C; el controlador debe disminuir su
señal de salida para abrir más la válvula TV-100 y por ende pase mayor cantidad
de refrigerante a la chaqueta para enfriar el producto.
Con el análisis anterior se concluye que a medida que aumenta la variable de
proceso debe disminuir la señal de control, es decir, el controladorTRC-100 es
de acción inversa.
Ahora en el caso del lazo de control de caudal (101), se sabe que la válvula FV-
101 también es de acción ATC (aire para cerrar), es decir, a medida que aumenta
la señal de control menor será el caudal de la alimentación y por ende del
producto.
Suponiendo que la variable de proceso supere el valor deseado, es decir, el
caudal del producto supere los 7,5 𝐿
𝑠; el controlador debe aumentar su señal de
salida para cerrar más la válvula FV-101 para que disminuya el caudal de la
alimentación y por ende disminuya el caudal del producto.
Con el análisis anterior se concluye que a medida que aumenta la variable de
proceso debe aumentar la señal de control, es decir, el controlador FRC-101es
de acción directa.
Una vez determinadas las acciones de los controladores, se procede a obtener sus
parámetros, para ello se aplicará el método de la curva de reacción, el cual de manera
experimental permite obtener una función de transferencia de primer orden que se
62 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
aproxime el comportamiento real de la planta. Se debe realizar este procedimiento para
cada lazo de control (100 y 101) y obtener los parámetros dados en la siguiente función
de transferencia de primer orden.
𝐺(𝑠) =𝐾𝑒−𝑡0𝑠
𝜏𝑠 + 1
(3.13)
Donde,
K= es la ganancia del proceso en estado estacionario.
𝑡0=tiempo muerto efectivo del proceso.
𝜏=constante de tiempo efectiva del proceso.
Ahora se procederá a obtener las funciones de transferencia de cada lazo:
Lazo de temperatura (100):
1) Se procede en lazo abierto (en modo manual el PLC) a estabilizar la temperatura
del producto a 80⁰C, debido que este es el valor mínimo de medición del
transmisor de temperatura TT-100 como se muestra en la Figura 3-21.
Figura 3-21: Ajuste manual de la temperatura en el proceso del TRAC.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 63
Para obtener una temperatura de 80⁰C se manipuló el caudal de entrada al reactor
(variaciones en FRC-101) y se dejó totalmente abierta la válvula de entrada de líquido
refrigerante, resultando los siguientes valores:
Tabla 3-5: Estado de las variables durante la estabilización manual de la temperatura del
producto a 80⁰C.
Variable Valor Unidad
TRC-100 0 %
TV-100 20 𝐿
𝑠
TT-100 0 % FRC-101 15,4 %
FV-101 6,57 𝐿
𝑠
Apertura FV-101 54,74 %
FT-101 31,39 %
Temperatura del producto 80 ⁰C
Temperatura del casquillo 39,6 ⁰C
Concentración 1,112 𝐾𝑔𝑚𝑜𝑙
𝑚3
2) Una vez que se tiene la temperatura del producto en 80⁰C, se procede a obtener
la curva de reacción, la idea es que esta se estabilice alrededor del punto de
64 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
operación (88⁰C), esto se logró con una salida de TRC-100 de 35% y TT-100 de
48,46%. En la Figura 3-22 se muestra la curva de reacción.
Figura 3-22: Curva de reacción del lazo de temperatura del TRAC.
.
3) A partir de la curva de reacción se procede a obtener los parámetros de la función
de transferencia.
𝐾 =𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑇𝑇 − 100 %
𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑇𝑅𝐶 − 100 %=
48,46%
35%= 1,38
(3.14)
Luego, para obtener los parámetros 𝑡0 y 𝜏se deben tomar dos puntos coincidentes con la
zona de máxima pendiente de la curva, el primer punto se toma a un 63,2% de la curva y
el segundo punto a un 23,8% de la misma como se presenta a continuación(3):
0,632x9,7=6,13=>86,13⁰C𝑡2=500s
0,238x9,7=2,75=>82,75⁰C𝑡1=200s
Una vez obtenidos los puntos 𝑡1y 𝑡2se aplican las ecuaciones para obtener los
parámetros 𝑡0 y 𝜏.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 65
𝜏 =3
2(𝑡2 − 𝑡1) =
3
2(500 − 200) = 450𝑠
(3.15)
𝑡0 = 𝑡2-τ=500s-450s=50s
(3.16)
Sustituyendo los parámetros en la ecuación (3.13) se obtiene la función de transferencia
de primer orden del lazo de temperatura.
𝐺𝑇(𝑠) =1,38𝑒−50𝑠
450𝑠 + 1
(3.17)
Lazo de caudal (101):
1) Se procede en lazo abierto (en modo manual el PLC) a estabilizar el caudal del
producto a 5 L/s, debido que este es el valor mínimo de medición del transmisor
de caudalFT-101 como se muestra en la Figura 3-22.
Figura 3-23: Ajuste manual del caudal en el proceso del TRAC,
Para obtener un caudal de 5L/s se manipuló el caudal de entrada al reactor (variaciones
en FRC-101) e independientemente de las variaciones que ocurran en la temperatura,
66 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
ya que en este caso el caudal no depende de la temperatura como si depende la
temperatura del caudal, resultando los siguientes valores:
Tabla 3-6: Estado de las variables durante la estabilización manual del caudal del
producto a 5 L/s.
Variable Valor Unidad
FRC-101 22,38 %
FV-101 5 𝐿
𝑠
Apertura FV-101 54,74 % FT-101 0 %
2) Una vez que se tiene el caudal del producto en 5 L/s, se procede a obtener la
curva de reacción, la idea es que ésta se estabilice alrededor del punto de
operación (7,5L/s), esto se logró con una salida de FRC-101 de 10,38% y FT-
101de 59,9%. En la Figura 3-24 se muestra la curva de reacción.
Figura 3-24: Curva de reacción del lazo de caudal del TRAC.
3) A partir de la curva de reacción se procede a obtener los parámetros de la función
de transferencia.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 67
𝐾 =𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐹𝑇 − 101 %
𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐹𝑅𝐶 − 101 %=
59,9%
−12%= −4,99
(3.18)
En este caso la ganancia del proceso resulta negativa dado que cuando el controlador es
de acción directa es porque la planta propiamente dicha es de acción inversa, es decir, a
medida que incrementa la entrada (señal de control) disminuye su salida (caudal).
De la gráfica se obtienen los tiempos 𝑡1 y 𝑡2 de la misma manera que se obtuvieron en
el lazo 100.
0,632x2,995=1,9=>6,9 L/s𝑡2=300s
0,238x2,995=0,71=>5,71 L/s𝑡1=100s
𝜏 =3
2(𝑡2 − 𝑡1) =
3
2(300 − 100) = 300𝑠
(3.19)
𝑡0 = 𝑡2-τ=300s-300s=0s
(3.20)
Sustituyendo los parámetros en la ecuación (3.13) se obtiene la función de transferencia
de primer orden del lazo de caudal.
𝐺𝐹(𝑠) =−4,99
300𝑠 + 1
(3.21)
Una vez obtenidas las funciones de transferencias de planta ampliada de cada lazo de
control, se procede a determinar los parámetros del controlador PI. Es importante saber
la estructura PI que tenga el controlador a usar, en este caso el PLC Siemens 314 tiene
un controlador PI con estructura paralela, la cual se rige por la siguiente ecuación
𝐶(𝑠) = 𝐾𝑐 +1
𝑇𝑖𝑆
(3.22)
68 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
Donde,
𝐾𝑐=constante proporcional del controlador.
𝑇𝑖=tiempo integral expresado en segundos.
Para determinar los parámetros primero se debe obtener la función de transferencia en
lazo cerrado, para el caso de la temperatura se determinó que el controlador es de
acción inversa, por lo que la ecuación del error está dada como.
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 𝑆𝑃 − 𝑃𝑉
(3.23)
Donde,
𝑆𝑃=punto de ajuste o punto de operación (Set Point).
𝑃𝑉=variable de proceso (PV son las iniciales en inglés).
En base al error, el diagrama de bloques del lazo cerrado de temperatura es el
presentando en la Figura 3-25.
Figura 3-25: Diagrama de bloques del lazo cerrado de temperatura.
El objetivo es poder encontrar los parámetros del controlador PITRC-100 expresado en el
bloque C(s), con el fin que controle el sistema y lo estabilice en a 88⁰C (set point), este
valor de temperatura representa en porcentaje 40% del rango de medición del transmisor
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 69
TT-100 (80⁰C-100⁰C). El bloque Gt(s) representa la planta ampliada del lazo de control
expresado en la ecuación 3.17.
La ecuación de lazo cerrado para el bloque de la Figura 3-25 está dado por.
𝐺𝐿𝐶(𝑠) =𝐶(𝑠)𝐺𝑡(𝑠)
1 + 𝐶(𝑠)𝐺𝑡(𝑠)
(3.24)
Antes de determinar la función de lazo cerrado es importante observar que la función
Gt(s)posee un tiempo muerto 𝑡0 expresado en una función exponencial, por lo que se
debe aplicar la Aproximación de Padè para eliminar el factor exponencial y así simplificar
los cálculos. La aproximación de Padé expresa que(3).
𝑒−𝑡0𝑠 =1 −
𝑡02⁄ 𝑆
1 +𝑡0
2⁄ 𝑆
(3.25)
Aplicando la ecuación 3.25 al factor exponencial de la ecuación 3.17 resulta.
𝑒−50𝑆 =1 − 25𝑆
1 + 25𝑆
(3.26)
Sustituyendo la ecuación 3.26 en 3.17 resulta.
𝐺𝑇(𝑠) =1,38 − 34,5𝑆
11250𝑆2 + 475𝑆 + 1
(3.27)
Sustituyendo la 3.27 y la ecuación 3.22 en 3.24 resulta.
𝐺𝐿𝐶(𝑠) =[−34,5𝑇𝑖𝐾𝑐𝑆2 + (1,38𝐾𝑐𝑇𝑖 − 34,5)𝑆 + 1,38]/11250𝑇𝑖
𝑆3 + (475−34,5𝐾𝑐
11250) 𝑆2 + (
𝑇𝑖+1,38𝐾𝑐𝑇𝑖−34,5
11250) 𝑆 +
1,38
11250𝑇𝑖
(3.28)
El denominador de la ecuación 3.28 se igualará término a término con el siguiente
producto de polinomios.
70 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
(𝑆2 + 2𝜀𝜔𝑛𝑆 + 𝜔𝑛
2)(𝑆 + 𝛼)
(3.29)
El primer polinomio representa la ecuación característica de una respuesta de segundo
orden y el segundo polinomio representa un por un polo real que se ajustará lo más
alejado posible del eje imaginario en el semiplano izquierdo para garantizar la estabilidad
del sistema. Un valor comúnmente utilizado para la ubicación del polo es𝛼 = 10𝜀𝜔𝑛.
Además se consideró viable una respuesta tipo subamortiguada tiempo con un sobre
pico 𝑂𝑆 ≤ 20% (OS sus iniciales en inglés) y un tiempo de estabilización de
𝑡𝑠 = 4𝜏 = 1800(𝑠)
(3.30)
Resultando las siguientes ecuaciones:
0,2 ≤ 𝑒−𝜋𝜀
√1−𝜀2
(3.31)
𝑡𝑠 =3
𝜀𝜔𝑛
(3.32)
Resolviendo el sistema de ecuaciones (3.30, 3.31 y 3.32) se obtuvo un 𝜀 = 0,5y un 𝜔𝑛 =
3,33 𝑥 10−3, sustituyendo en 3.29 obtiene.
𝑆3 + 1,99310−2𝑆2 + 6,6610−5𝑆 + 1,810−7
(3.33)
Igualando término a término el polinomio 3.33 con el denominador de la ecuación 3.28,
se obtienen los parámetros 𝐾𝑐 y 𝑇𝑖.
𝐾𝑐 = 7,2
𝑇𝑖 = 681,4 (𝑠)
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 71
Una vez determinados las parámetros PI del controlador TRC-100 se procederá a
obtener los parámetros PI del lazo de caudal, para este caso se determinó que la acción
del controlador FRC-101 es inversa, por lo que la ecuación del error está dada por.
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = −(𝑆𝑃 − 𝑃𝑉)
(3.34)
En base al error, el diagrama de bloques del lazo cerrado de caudal es el presentado en
la Figura 3-26.
Figura 3-26: Diagrama de bloques del lazo cerrado de caudal.
El objetivo es poder encontrar los parámetros del controlador FRC-101 expresado en el
bloque C(s), con el fin que controle el sistema y lo estabilice en un caudal de 7,5 L/s, este
valor representa un porcentaje del 50% del rango de medición del transmisor FT-101 (5
L/s-10 L/s). El bloque Gf(s) representa la planta ampliada del lazo de control expresado
en la ecuación 3.21.
La ecuación de lazo cerrado para el bloque de la Figura 3-26 está dado por.
𝐺𝐿𝐶(𝑠) =−𝐶(𝑠)𝐺𝑓(𝑠)
1 + 𝐶(𝑠)𝐺𝑓(𝑠)
(3.35)
En este caso como 𝐺𝑓(𝑆) no tiene tiempo muerto se puede hacer el cálculo
directamente, sustituyendo la ecuación 3.21 y la ecuación 3.22 en 3.35 resulta.
𝐺𝐿𝐶(𝑠) =(4,99𝐾𝑐𝑇𝑖𝑆 + 4,99)/300𝑇𝑖
𝑆2 + (1+4,99𝐾𝑐
300) 𝑆 +
4,99
300𝑇𝑖
(3.36)
72 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
Se consideró una respuesta de tipo subamortiguada por lo que se ajusta un pico 𝑂𝑆 ≤
5% y un tiempo de estabilización de.
𝑡𝑠 = 4𝜏 = 1200(𝑠)
(3.37)
Resultando las siguientes ecuaciones:
0,05 ≤ 𝑒−𝜋𝜀
√1−𝜀2
(3.38)
𝑡𝑠 =3
𝜀𝜔𝑛
(3.39)
Resolviendo el sistema de ecuaciones se obtiene un 𝜀 = 0,7 y un 𝜔𝑛 = 3,57𝑥10−3,
igualando los términos del denominador de la ecuación 3.36 con el siguiente polinomio.
(𝑆2 + 2𝜀𝜔𝑛𝑆 + 𝜔𝑛2)
(3.40)
Se obtienen los parámetros PI del controlador FRC-101.
𝐾𝑐 = 0,1
𝑇𝑖 = 1305 (𝑠)
Una vez obtenidos los parámetros de cada controlador se procede a programar los
bloques PI de cada uno (véase Anexo C), para el presente se desarrollo se usó el PLC
Siemens 314, el cual solo posee una entrada análoga, por lo cual se requirió usar dos de
estos para que cada uno controlara un lazo. Sin embargo, existe una gran gama de
PLC´s que poseen varias salidas análogas y pueden cubrir más de una lazo de control.
En la Figura 3-27 se presente el diagrama de conexiones entre los terminales físicos de
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 73
la planta representados con la DAQ 6008 y los terminales de entrada y salida de cada
PLC.
Figura 3-27: Diagrama de conexiones entre el TRAC y PLC´s.
Con los parámetros calculados se procede a verificar el control del proceso, en la Figura
3-28 se presenta el control de temperatura del producto y la señal de control TRC-100.
Mientras que en la Figura 3-29 se presenta el control de caudal del producto y la señal de
control FRC-101.
Figura 3-28: Respuesta del lazo de control de temperatura del TRAC.
74 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
La gráfica de la izquierda representa la variable del proceso (Temperatura del producto),
se observa que dicha variable se estabiliza a 88 °C, el cual fue el valor de SP fijado. La
gráfica de la derecha representa la salida de la señal de control TRC-100 expresada en
%.
Figura 3-29: Respuesta del lazo de control de caudal del TRAC.
La gráfica de la izquierda representa la variable del proceso (Caudal del producto), se
observa que dicha variable se estabiliza a 7,5 L/s, el cual fue el valor de SP fijado. La
gráfica de la derecha representa la salida de la señal de control FRC-101 expresada en
%.
Como se observa en las figuras los controladores TRC-100 y FRC-101 estabilizan el
proceso en los puntos de operación deseado, con lo cual se concluye que los parámetros
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 75
PI obtenidos satisfacen los objetivos de control establecidos. Sin embargo, en la Figura
3-28 se observa cambios bruscos en la apertura y cierra de la válvula, esto se debe a
que se arrancó el proceso en automático, en la realidad este tipo de procesos se
arrancan con el controlador en modo manual para estabilizar el proceso y luego colocar
el controlador en automático.
Por otra parte, una cualidad de la acción integral es la de rechazar perturbaciones en la
planta, en los procesos químicos como el de un tanque de reacción pueden ocurrir
alteraciones de algunos parámetros iniciales del proceso producto de eventos externos
(error de operarios, factores climáticos, fallos eléctricos o mecánicos, entre otros). Si
analizamos las ecuaciones del modelo matemático existen una serie de constantes
específicas para un tipo de producto, si este es cambiado o alterado, afectará el
dinamismo del proceso, por lo cual es importante que los sistemas de control logren
compensar las perturbaciones que se puedan presentar.
Mediante la programación del modelo matemático se añadieron unas condiciones que
simulan perturbaciones, una para el lazo 100 la cual consiste en la variación de la
densidad del refrigerante, es decir, en un escenario real el operario pudo haber vertido un
refrigerante distinto al acostumbrado. La otra perturbación simulada consiste en la
variación de la concentración inicial del producto que ingresa por la alimentación, en un
escenario real un operario pudo haber cambiado el producto base para la reacción.
En la Figura 3-30 se muestra como el sistema de control diseñado es capaz de rechazar
perturbaciones gracias a la acción integral.
Figura 3-30: Respuesta del lazo de control de caudal del TRAC.
76 Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones
La gráfica de la izquierda representa la variable del proceso (Temperatura del producto),
se observa que dicha variable se estabiliza a 88 °C luego de la perturbación. La gráfica
de la derecha representa el comportamiento del controlador para rechazar la
perturbación.
El procedimiento analítico-experimental para obtener los parámetros de los controladores
demuestran que el proceso simulado responde correctamente a las señales de control
provenientes del componente real (PL). En el disco anexo al documento se encuentra el
ejecutable de la simulación “TRAC.jar”(anexo K), con el cual los estudiantes pueden
desarrollar práctica del proceso de tanque de reacción con agitación continua, siguiendo
las indicaciones de la “Guía práctica” que pueden abrir con el botón “Descripción”. Con
esta práctica se espera que los estudiantes refuercen sus conocimientos y habilidades en
control regulatorio, dado que el proceso les permite realizar los cálculos de los
parámetros de control de forma experimental y mediante la interacción con el proceso
simulado en tiempo real es más sencillo verificar si los objetivos de control se cumplieron
y entender el dinamismo del proceso.
3.3 Resumen del capítulo
Mediante este capítulo se explicó de forma detallada todo el proceso de implementación
de las simulaciones HIL del proceso de esterilización por vapor de agua y del proceso del
tanque de reacción con agitación continua. Se inicia describiendo la arquitectura del
simulador de cada proceso, explicando cada uno de sus componentes de hardware y
software y las conexiones entre ellos, los cuales permiten la comunicación en tiempo real
entre la planta simulada y el PLC como controlador del sistema.
Capítulo 3. Desarrollo de las simulaciones 77
Luego, se presenta el modelo matemático de cada proceso, donde se detallan cada una
de las ecuaciones diferenciales y sus parámetros, dichas ecuaciones son resueltas y
simuladas en tiempo real mediante EJS. Una vez entendidos los modelos matemáticos
se presenta la interfaz gráfica que permite al estudiante interactuar con los mímicos de
cada proceso y verificar la lógica de control desarrollada.
Por último, se presentan los objetivos de control de cada práctica y los resultados que
verifican la controlabilidad de cada proceso, para el caso del esterilizador el tipo de
control aplicado es lógico-secuencial, dicha lógica de control fue descrita a través de un
diagrama de flujo y se presentaron los resultados en forma gráfica. En cuanto al tanque
de reacción, el control aplicado es de tipo regulatorio, como objetivos de control se
establecieron unos puntos de operación y se explicó el procedimiento analítico-
experimental utilizado para la obtención de los parámetros PI de los controladores, los
resultados fueron presentados en forma gráfica.
En el disco anexo al documento se encuentran los archivos fuentes de la programación
de EJS y LabVIEW para cada proceso (anexo F, G, H , I). En el siguiente capítulo se
presentará la estructura de las guías de las prácticas de cada proceso simulado y se
presentará los resultados de la experiencia de algunos estudiantes con las prácticas.
4. Guías prácticas
En el presente capítulo se presentará la estructura de la práctica del proceso de
esterilizado por vapor de aguay del tanque de reacción con agitación continua, en donde
se pondrá en evidencia los objetivos y fines académicos de estas implementaciones de
simulación HIL. Finalmente, como método de evaluación de este trabajo de maestría, se
invitó a un grupo de estudiantes para que desarrollaran las prácticas y emitieran sus
comentarios al respecto por medio de unas encuestas, los resultados de estas serán
resumidos al final de este capítulo.
4.1 Práctica de control lógico-secuencial de un proceso de esterilización
Mediante esta práctica los estudiantes deben desarrollar la lógica de control para el
proceso de esterilización por vapor de agua, desarrollando las programaciones Ladder
respectivas en un PLC y comprobar los resultados mediante el simulador HIL del
proceso. La interfaz gráfica le provee el estudiante el instructivo para el desarrollo de la
práctica; a la cual se le establecieron cuatro objetivos:
1. Entender los objetivos de control del proceso de esterilización.
2. Realizar las conexiones de hardware y comunicaciones de software para la
comunicación de la simulación del esterilizador con el PLC.
3. Desarrollar la programación del PLC para lograr los objetivos de control del
proceso.
4. Verificar el control del proceso corriendo en tiempo real la simulación del
esterilizador con el PLC conectado.
80 Capítulo 4. Guías prácticas
Al finalizar la práctica el estudiante tendrá la capacidad de desarrollar estrategias de
control lógico-secuencial, dominará el uso de funciones de programación del PLC como:
contactos de entradas, bobinas de salida, marcas de memoria, contadores,
comparadores y temporizadores; y sabrá programar y configurar variables análogas.
Como inicio se le explica de manera detallada al estudiante todo el proceso de conexión
y configuración de la arquitectura del simulador, tal como fue explicada en las secciones
3.1.2 y 3.2.2. Una vez que le estudiante tiene todo implementado para desarrollar la
práctica se la presentan las actividades que debe desarrollar mediante los siguientes
puntos:
1. Desarrolle la programación de su PLC para cumplir con los objetivos de control
descritos en la "Descripción del proceso y objetivos de control", pero como
condición en esta parte, usted debe hacer el control de la temperatura de la
cámara del esterilizador haciendo uso de las señales digitales "TS-L" (switch de
temperatura bajo) y "TS-H" (switch de temperatura alto). Adicionalmente, si
contara con el esterilizador en físico ¿cómo sería el esquema de conexiones entre
sus elementos con el PLC?
Mediante esta actividad el estudiante debe desarrollar la lógica de programación
requerida, como ejemplo se tiene el Anexo A del documento. Adicionalmente, el
estudiante debe presentar un esquema básico de conexiones de los componentes de la
planta al PLC similar al de la Figura 4-1.
Capítulo 4. Guías prácticas 81
Figura 4-1: Esquemas de conexiones básico de los componentes del esterilizador al
PLC.
2. Suponga ahora que no cuenta con los switchs "TS-L" y "TS-H", en cambio, cuenta
con una señal análoga de temperatura convertida a voltaje entre los siguientes
rangos: 0-200 ºC equivalen a 0-5 V, conecte esta señal de voltaje a una de las
entradas análogas del PLC y haga los ajustes pertinentes en su programación. En
este caso ¿es necesario controlar la válvula de alivio por tiempo?, justifique.
Mediante esta actividad se le indica al estudiante que desarrolle el control de temperatura
mediante la entrada de voltaje del PLC, de esta forma puede tener un control más
preciso de la temperatura. Se le pregunta si en el momento que esté abierta la válvula
que libera el vapor acumulado en la cámara del esterilizador, es necesario activar un
temporizador que determine este tiempo de apertura, la respuesta es “No”; debido a que
con le señal análoga es posible medir todo el rango de temperatura y se puede
programar que a cierto valor de temperatura se cierre la válvula.
Por último, la guía tiene una parte de poslaboratorio donde al estudiante se le pide tres
actividades a desarrollar.
82 Capítulo 4. Guías prácticas
1. Durante la etapa de enfriamiento de cada modo de esterilización imprima pantalla
y anexe a su informe la gráfica de temperatura respectiva, de modo tal que pueda
demostrar que logró los objetivos de control, además anexe la programación del
PLC tanto de la parte 1 como de la parte 2.
En esta parte el estudiante debe presentar los resultados de la práctica, presentar las
respuestas de control de temperatura para cada modo de esterilización y presentar la
programación Ladder hecha en el PLC.
2. ¿Qué tipo de control aplicó en el proceso? Explique.
En esta pregunta el estudiante debe explicar que el tipo de control aplicado al proceso es
lógico secuencial, dado que se rige a un consecutivo de etapas controladas por señales
binarias. En cuanto al control de temperatura, se aplicó TODO-NADA ya que se hacía el
encendido de una resistencia para calentar y el apagado de la misma para enfriar.
3. ¿En qué caso pudo hacer un mejor ajuste de la temperatura, en la parte 1 con los
switches o en el parte 2 con la señal análoga? Explique.
En este punto el estudiante debe explicar cuál método hizo mejor control de temperatura,
la respuesta es “con el uso de la señal análoga”, dado que le permite medir manera de
precisa el valor de temperatura de la cámara del esterilizador; en cambio como los
switches de nivel de temperatura tienen un retardo de respuesta y el valor de
temperatura supera un poco el deseado.
4.2 Práctica de control regulatorio de un tanque de reacción con agitación continua
Mediante esta práctica los estudiantes deben desarrollar el control regulatorio del tanque
de reacción con agitación continua, apoyándose del simulador HIL para poder realizar el
cálculo experimental de los parámetros de los controladores y verificar que los mismos
cumplen los objetivos de control. En esta práctica se establecen cuatros objetivos:
1. Entender el dinamismo del proceso de un tanque de reacción con agitación
continua (TRAC).
Capítulo 4. Guías prácticas 83
2. Realizar las conexiones de hardware y comunicaciones de software para la
comunicación de la simulación del TRAC con los PLC´s.
3. Desarrollar el cálculo experimental para obtener los parámetros PI para el control
regulatorio de la temperatura y caudal del TRAC.
4. Verificar el control del proceso corriendo en tiempo real la simulación del TRAC
con los PLC´s conectados.
Al finalizar la práctica,el estudiante tendrá la capacidad de desarrollar estrategias de
control regulatorio PI con PLC y dominará métodos experimentales aplicados en industria
para determinar los parámetros del controlador.
Esta práctica a diferencia de la anterior presenta un prelaboratorio con una serie de
actividades que debe desarrollar el estudiante para llegar a la práctica con los
conocimientos básicos para su desarrollo. El contenido del prelaboratorio es el siguiente:
1. Investigue el tipo de estructura del controlador PI (serie o paralelo) del PLC con el
que va a controlar el sistema.
Mediante el uso del manual del PLC el estudiante debe averiguar que estructura debe de
controlador PI tiene, dado que a partir de esto sabrá cuál es la ecuación del controlador
que debe aplicar en los cálculos. En el caso del PLC Siemens 314 su estructura PI es
paralela, por tal razón se aplicó la ecuación 3.22.
2. Investigue cuáles son las entradas y salidas análogas de su PLC.
Mediante el manual del PLC el estudiante debe encontrar el esquema de conexiones, en
donde se detallan la ubicación de las entradas y salidas análogas del mismo. En el
Anexo D se presenta el esquema del PLC Siemens 314.
3. Investigue y explique la configuración de los parámetros del bloque PI de su PLC.
Mediante el manual del software de programación del PLC, el estudiante debe investigar
el ajuste de los parámetros del bloque PID. En los Anexos B y C se presenta el ajuste del
bloque PI para el PLC Siemens 314. A continuación se describen los parámetros
configurados del bloque PID del PLC Siemens 314:
84 Capítulo 4. Guías prácticas
Tabla 4-1:Parámetros del bloque PI del PLC Siemens 314.
Parámetro Descripción Valor
MAN_ON Variable booleana la cual
identifica si el controlador está en modo manual
0=Automático 1=Manual
PVPER_ON Variable booleana para activar
la entrada análoga del PLC 0=Entrada desactivada
1=Entrada activada
CYCLE Parámetro en donde se
configura el tiempo de muestreo del controlador
100 ms
SP_INT Parámetro en el cual se ajusta el
Set Point en porcentaje 40% TRC-100 50% FRC-101
PV_PER Parámetro en el cual se
direcciona la entrada análoga del PLC
PEW128
GAIN Parámetro en el cual se indica la
ganancia proporcional del controlador
7.2 TRC-100 -0.1 FRC-101
El signo positivo indica acción inversa, el signo negativo indica
acción directa
Ti Parámetro en el cual se ajusta el
tiempo integral T#11M21S400MS TRC-100
T#21M45S FRC-101
PV_FAC Permite multiplicar la entrada
análoga por un factor 2.0
LMN Parámetro que indica el valor de
la señal de control Variable en %
LMN_PER Parámetro en el cual se
direcciona la salida análoga del PLC
PAW128
4. Explique el método de la Curva de Reacción para obtener una función de
transferencia de un sistema.
Con ayuda de los cursos y literatura de control de procesos, el estudiante debe investigar
el método experimental de la Curva de Reacción como el aplicado en el punto 3.2.5.
5. ¿Qué tipo de acción deben ser los controladores TRC-100 y FRC-101?
Partiendo de la información del tipo de acción de las válvulas de cada lazo (en este caso
las válvulas son ATC), el estudiante debe desarrollar un análisis para determinar la
acción de controlador. En el punto 3.2.5 se describe dicho análisis el cual indica que el
controlador TRC-100es de acción inversa y el controlador FRC-101es de acción directa.
Capítulo 4. Guías prácticas 85
Una vez desarrollado el prelaboratorio, ya el estudiante tendrá los conocimientos básicos
para realizar la práctica. Luego, se le explica paso a paso las conexiones de la
arquitectura del simulador presentada en el punto 3.2.2; de esta forma ya puede
desarrollar paso a paso el cálculo de forma experimental de los parámetros PI para cada
lazo de control, tal como se desarrolló en el punto 3.2.5:
1. Obtenga la función de transferencia tanto para el lazo de temperatura (100) como
para el de caudal (101) aplicando el método de la curva de reacción. Explique los
cálculos y anexe gráficas.
2. Obtenga los parámetros del controlador PI para el lazo de temperatura, de tal
forma que se tenga un tiempo de estabilización𝑡𝑠 = 4𝜏 y un sobrepico 𝑂𝑆 ≤
20%.. Explique los cálculos.
3. Obtenga los parámetros del controlador PI para el lazo de caudal, de tal forma
que se tenga un 𝑡𝑠 = 4𝜏 y un 𝑂𝑆 ≤ 5%. Explique los cálculos.
4. Ya obtenidos los parámetros PI para cada uno de los controladores, lleve
manualmente el proceso a su punto de operación, luego coloque los
controladores en automático y verifique que el sistema permanece estable en
dicho punto de operación. Anexe gráficas.
5. El sistema puede presentar perturbaciones tanto en la entrada de caudal
refrigerante como en la entrada de producto, explique qué puede originar dichas
perturbaciones analizando el modelo del sistema. Active las perturbaciones y
verifique que su control rechaza perturbaciones.
4.3 Experiencia de los estudiantes
Una vez desarrollada la implementación de las simulaciones HIL, se convocó a seis
estudiantes de la maestría en Automatización Industrial para que desarrollaran las
prácticas como se muestra en la Figura 4-2.Esto con el fin de verificar que las
simulaciones se ajustan a cualquier lógica de control y no solo a la del desarrollador de
las simulaciones, además permitió medir qué tan eficientes son estas simulaciones HIL
como herramientas de enseñanza-aprendizaje en control lógico y regulatorio mediante un
PLC.
86 Capítulo 4. Guías prácticas
Durante el desarrollo de las prácticas los estudiantes llenaron unas encuestas en donde
se le preguntaba si tenían experiencias previas de control de procesos industriales
mediante PLC. Además, sus opiniones acerca del conexionado de la simulación HIL,
interfaz gráfica, si es de fácil comprensión o no y si lograron los objetivos de control y
adquirieron nuevos conocimientos en la materia.
De manera de resumen, ninguno de los estudiantes tenía experiencias de control de PLC
aplicado a procesos industriales, por lo que les pareció muy interesante la experiencia
con las simulaciones HIL. También se evidenció que por temas de tiempo es preferible
que el estudiante llegue a la práctica con la programación del PLC ya hecha, sin
embargo, la interacción del PLC con las plantas simuladas permite detectar de forma
rápida errores de programación.
A los estudiantes no se les hizo complejo el conexionado de los componentes de las
simulaciones HIL, ya que les parecieron que estaban bien explicados los esquemas de
conexión en la guía práctica. Adicionalmente, en las encuestas dieron sus sugerencias
para el mejoramiento de las prácticas, las mayorías estaban basadas en mejoras a nivel
de interfaz gráfica, las cuales algunas de ellas se tomaron en cuenta para los ajustes
finales de la implementación. En el Anexo E se presentan las encuestas.
Figura 4-2: Desarrollo de las prácticas por parte de los estudiantes
Capítulo 4. Guías prácticas 87
4.4 Resumen del capítulo
Mediante este capítulo se describe el contenido de las guías prácticas de los simuladores
HIL del proceso de esterilización por vapor de agua y del proceso del tanque de reacción
con agitación continua. Dichas prácticas están estructuradas para que los estudiantes
desarrollen técnicas de control lógico y regulatorio con metodologías aplicadas en la
industria, además se les presentan los esquemas de conexiones de los componentes del
simulador HIL, lo cual les permiten aprender las conexiones básicas de un PLC.
Estas guías fueron evaluadas por un grupo de seis estudiantes de la maestría en
Automatización industrial, quienes mediante una encuesta por cada práctica, expresaron
sus opiniones y recomendaciones una vez desarrollaron la experiencia práctica. En el
siguiente capítulo se darán las conclusiones y recomendaciones finales de este trabajo
de maestría.
5. Conclusiones y recomendaciones
En este capítulo se presentan las conclusiones y recomendaciones finales del presente
trabajo de maestría, resultantes de todo el proceso de investigación, implementación,
pruebas y resultados que se desarrollaron durante todo la elaboración de la tesis.
5.1 Conclusiones
En base a los objetivos planteados en el presente trabajo de maestría se generan las
siguientes conclusiones:
1. El nivel de los modelos matemáticos utilizados para la implementación de las
simulaciones HIL estuvieron acordes al alcance del trabajo, dado que a pesar de
que se ajustaron los tiempos de la simulación para fines académicos; no se
alteraron los dinamismos de los procesos y por ende no se alteraron los
parámetros de control reales.
2. Desde la perspectiva de software,la herramienta EJS cumple con la funcionalidad
necesaria para simular sistemas de ecuaciones diferenciales lineales y no
lineales. Sin embargo, la memoria de EJS resultó insuficiente para graficar las
variables del tanque de reacción, por ello estas gráficas desarrollaron en el
software LabView.
3. El conjunto de elementos de Hardware finalmente utilizado cumplió con los
requisitos de funcionamiento esperados, no presentó fallas sistemáticas o
retardos apreciables en la simulación.
4. Las lógicas de programación implementadas con el PLC cumplieron los objetivos
de control, tanto del proceso de esterilización por vapor de agua como del tanque
90 Capítulo 5. Conclusiones y recomendaciones
de reacción con agitación continua. Esto indica que los métodos y estrategias de
control implementadas son acordes a la naturaleza de los procesos simulados.
5. El grupo de seis estudiantes a través de sus propias lógicas de programación de
PLC lograron cumplir los objetivos de control de cada proceso, lo que le generó a
los usuarios un nivel de confianza en el simulador HIL, cumpliendo con el carácter
didáctico que se quiso imprimir en esta herramienta.
5.2 Recomendaciones
Es trabajo de maestría tiene como objetivo paralelo lograr la integración academia-
industria en proyectos relaciones con tópicos de automatización industrial, dado que este
simulador HIL permite aproximar las prácticas de laboratorio a procesos reales
encontrados en la industria. Por lo cual se pueden utilizar estas simulaciones como
herramienta para dictar cursos y talleres a personal técnico y de ingeniería que se
desenvuelvan en industria.
Por otra parte, este trabajo puede servir de base a futuras implementaciones HIL que
permitan el diseño y verificación del desempeño de procesos de mayor complejidad. Con
el fin de ser aplicados en cursos de distintas ramas de la ingeniería e incluso como
herramienta de trabajo en industria.
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